10. Отверждение лакокрасочных материалов за счет химических реакций полимеризации и поликонденсации, сущность реакций, примеры. Виды теплового отверждения лакокрасочных материалов.

Конвективный способ, Терморадиационный нагрев, Конвективно-терморадиационный нагрев.

Реакцией поликонденсации называют процесс соединения молекул исходных веществ в ВМС (высокомолекулярные соединения), сопровождающийся отщеплением (выделением) побочных низкомолекулярных продуктов, воды, аммиака и др. Способностью поликонденсации обладают молекулы мономеров и олигомеров, в составе которых содержатся реакционноспособные так называемые функциональные группы атомов (гидроксильные, карбоксильные, амминые, альдегидные и др.), в результате взаимодействия которых происходит соединение молекул и выделение побочных низкомолекулярных веществ.

В процессе полимеризации могут участвовать молекулы одного мономерного вещества и молекулы смеси двух и более веществ.

Процесс, при котором полимер образуется из двух и более исходных мономеров, называют сополимеризацией в отличие от процесса гомополимеризации, когда полимер образуется из молекул только одного полимера.

Процессы поликонденсации носят ступенчатый характер. Рост макромполекул происходит постепенно в результате взаимодействия образовавшегося полимера с молекулами мономера. Реакции поликонденсации обычно требует подвода тепла и могут проводиться с катализаторами и без них.

По механизму поликонденсации происходит отверждение лакокрасочных покрытий на основе термореактивных фенольно-формальдегидных, мочевино- и меламино-формальдегидных смол, а также алкидномочевино- и меламино-формальдегидных лакокрасочных материалов кислотного отверждения.

Для отверждения перед употреблением в них вводят в качестве отвердителя кислоты.

Отверждение алкидно-карбамидных лаков и эмалей происходит в результате реакции поликонденсации между гидроксильными группами, алкидной смолы и метилольными группами мочевинных или меламиновых смол. Скорость реакции поликонденсации зависит от кол-ва введенного в смолу отвердителя и температуры. В кач-ве отвердителя применяют различные кислоты. Чаще всего пользуются соляной.

Применение горячей сушки, приводит не только к сокращению времени отверждения, но и к повышению твердости, влагостойкости и других показателей покрытия за счет более плотной сшивки молекул поперечными связями. Отвердитель должен вводиться непосредственно перед употреблением лакокрасочного материала.

Степень отверждения лакокрасочного покрытия определяет комплекс его физико-механических и защитных свойств и поэтому является важным показателем качества покрытий. Степень отверждения полимерного покрытия можно характеризовать разными показателями: глубиной протекания химических реакций образования полимера, содержанием гель-золь-фракции, степенью сшивания в трехмерном полимере, твердостью покрытия и др. Однако ни один из этих параметров не является абсолютным. Например, показатели, характеризующие глубину химических превращений, не учитывают структурные особенности полимера, определяющие энергию физических взаимодействий макромолекул. Есть несколько разновидностей термореактивных пленкообразователей. Рассмотрим их последовательно. Но сначала отметим их общие свойства.

На продолжительность и качество сушки покрытий, содержа­щих летучие растворители, оказывают влияние не только количе­ство, но и способ подвода тепла к покрытию. Нагревание или пе­редача тепла покрытию возможны разными способами: конвек­цией, радиацией, теплопроводностью (например, от предварительно нагретой древесины).

При конвекционном нагреве тепло передается покрытию от нагретого воздуха, омывающего изделие. Так как покрытие имеет конечную толщину, передача тепла от поверхности к нижней границе его происходит не мгно­венно, а требует времени, зави­сящего от теплопроводности и толщины покрытия. Благодаря этому верхние слои покрытия нагреваются раньше и сильнее, чем нижележащие. Соответ­ственно и испарение растворителей в первый период сушки про­исходит наиболее интенсивно в верхнем слое, что способствует образованию на поверхности пленки, затормаживающей выход паров растворителей из нижних слоев покрытия. Тем самым затормаживается весь процесс сушки.

Терморадиационным нагревом называют нагрев инфракрас­ными лучами. В общей шкале электромагнитных волновых коле­баний инфракрасные лучи находятся между видимыми световыми лучами и радиоволнами, занимая широкой интервал волн между световыми волнами и ультракороткими радиоволнами. Как самостоятельный вид теплопередачи практическое значение имеют лишь относительно короткие волны (длиной 0,75—8 ммк), излучаемые относительно высоко нагретыми телами.

Формирование Пк в промышленности осуществляется в основном с применением искусственной сушки.

Методы искусственной сушки различаются по способу энергетического воздействия. В зависимости от способа передачи энергии к окрашенной поверхности различают следующие методы отверждения:

• тепловое;

• под действием УФ-излучения;

• индукционное;

• радиационное;

• потоком ускоренных электронов;

Процесс конвективной сушки проводят в специальной камере. Этот метод подходит для отверждения практически любых традиционных ЛКМ. Теплоносителем является воздух, нагретый электроэнергией, газом, паром, горячей водой или продуктами сгорания жидкого топлива. При воздействии тепловой энергии нагрев отверждаемого ЛКМ начинается с верхнего слоя и постепенно распространяется внутрь Пк. Это приводит к тому, что верхний слой Пк становится более сухим, и пары растворителя из нижних слоев испаряются в течение более длительного времени. В этом случае при неправильно подобранной летучей части ЛКМ сформированное Пк может иметь дефекты, а высыхание толстослойного Пк затрудняется.

При терморадиационной сушке слой ЛКМ нагревается не снаружи, а изнутри Пк, т.е. от поверхности подложки. Это обеспечивает беспрепятственный выход летучих продуктов из пленки, что положительно сказывается на времени сушки, а также способствует лучшему растеканию ЛКМ и приводит к улучшению качества Пк. При использовании терморадиационной сушки изделие нагревается за короткое время. Процесс нагрева практически безынерционный, так как он происходит в отсутствие промежуточного теплоносителя – воздуха.

В связи с этим терморадиационная сушка выгодно отличается от конвективной. К достоинствам этого метода можно отнести:

• высокую производительность (время высыхания 3-20 мин независимо от вида ЛКМ);

• возможность работать со всеми видами ЛКМ (органорастворимыми, водоразбавляемыми и водно-дисперсионными, порошковыми), а также отверждать ЛКМ на изделиях с большой металлоемкостью с учетом безынерционности процесса;

• экономию электроэнергии по сравнению с конвективной сушкой за счет отсутствия промежуточного теплоносителя;

• возможность бескамерной сушки, так как существуют стационарные и передвижные установки терморадиационно отверждения;

• унификацию ИК-элементов, что позволяет проектировать сушильные камеры любого типоразмера;

• сокращение производственных площадей, механизацию и автоматизацию процесса.

К недостаткам терморадиационной сушки относится невозможность обработки изделий сложной конфигурации, так как воздействие ИК-излучения на поверхность недостаточно. В этом случае применим комбинированный метод, сочетающий конвективную и терморадиационную сушки.

При индукционной сушке окрашенное изделие помещают в переменное электромагнитное высокочастотное поле токов высоких частот, под действием которого происходит нагрев изделия, изготовленного из ферромагнитных материалов, и отверждение ЛКМ. Этот метод может быть рекомендован для сушки лакокрасочных Пк на металлических лентах, изделиях с обмоткой, пропитанной ЛКМ. В остальных случаях он неперспективен с экономической точки зрения.

Отверждение Пк УФ-излучением основано на способности УФ-лучей инициировать реакцию полимеризации ряда пленкообразователей на основе ненасыщенных полиэфиров и полиакрилатов. Данный способ позволяет производить отверждение в течение нескольких секунд, сокращая энергопотребление. В настоящее время он нашел применение для отверждения порошковых ЛКМ при окрашивании МДФ.

Метод отверждения потоком ускоренных электронов является самым современным и высокопроизводительным в технологии лакокрасочных Пк. Однако он пригоден только для отверждения ЛКМ на основе олигомермономерных композиции и преимущественно на изделиях простейшей конфигурации или плоских поверхностях. Метод искусственной сушки следует выбирать в соответствии с природой ЛКМ, требованиями физико-механических и защитных свойств Пк, габаритами и конфигурацией окрашиваемой поверхности, производственными возможностями, типом энергоносителя и экономической целесообразностью.