Яковлев АД 2020
.pdfДавление остаточных газов в реакционной камере, Па |
Ю ' К Г 3 |
Скорость нагревания полимера, °С/мин |
4050 |
Расстояние от испарителя до подложки, м м |
40100 |
М о щ н о с т ь луча, Вт/см3 |
10100 |
Температуру нагревателя устанавливают в зависимости от при меняемого полимера: например, для полиэтилена 400 °С, для поли капроамида 420 °С, для политрифторхлорэтилена 450 °C.
При применении газоразрядной электронной пушки определяю щим параметром является подводимая мощность. При этом макси мальная скорость роста пленок фторопласта3 и фторопласта4 со ставляет 2,83,0 мкм/мин. В образующихся покрытиях полимер имеет молекулярную массу 40000140000; их выход (соотношение коли честв разложившегося и вновь образовавшегося полимера) составля ет 3075 %. Покрытия, как правило, имеют толщину 510 мкм. Они достаточно прозрачны; по механическим свойствам и защитной спо собности близки к покрытиям, получаемым традиционными мето дами. Благодаря высоким диэлектрическим показателям и низкой водопроницаемости покрытия из фторопластов нашли применение для герметизации интегральных микросхем.
7.4.3.ПО ЛУЧЕНИЕ ПО КРЫТИЙ ПИРО ЛИТИЧЕС КО Й ПО ЛИМЕРИЗАЦИЕЙ ЦИКЛИЧЕС КИХ С О ЕД ИНЕНИЙ
Некоторые циклические соединения циклодииксилилен, ди хлордииксилилен, ициклофаны способны при нагревании воз гоняться и при высокой температуре в условиях вакуума пироли тически расщепляться с образованием радикалов, которые, адсор бируясь на поверхности изделий, полимеризуются с образованием покрытий заданной толщины. Изменяя параметры процесса, можно регулировать скорость полимеризации и влиять на морфологиче скую структуру покрытий, получать пленки как аморфной, так и кристаллической структуры.
Процесс формирования покрытий из циклодииксилилена ха рактеризуется следующими реакциями:
301
Покрытия получают в установке, состоящей из трех секций: ис¬ парения, пиролиза и осаждения. Исходный циклодииксилилен за¬ гружают в испарительную секцию, где под вакуумом (остаточное давление 5 Па) его нагревают до 100150 °С. Олигомер испаряется и попадает в секцию пиролиза, где при 650680 °С разлагается с обра¬ зованием радикалов иксилилена.
Газообразный иксилилен далее поступает в секцию осаждения (вакуумную камеру с давлением 0,1 мм рт. ст., температура 20 °С), где адсорбируется на изделии и полимеризуется с образованием про зрачной или матовой пленки толщиной 515 мкм. Средняя ско рость образования пленок до 5 мкм/ч.
Отличительная особенность полииксилиленовых пленок од нородность по толщине, высокая прочность, низкие влаго и газо проницаемость, хорошие электроизоляционные свойства, прозрач ность для рентгеновских лучей. Они нашли применение при изго товлении тонкопленочных конденсаторов, для изоляции детекторов излучения, защиты резисторов, термисторов, термоэлементов, изго товления печатных плат, микросборок, а также защиты архивных документов, печатной продукции и фотоматериалов с целью повы шения их сохранности.
Установки УНБ1 и УНБ2 (с объемом камеры осаждения 525 и 50200 л соответственно) изготовляет ООО "Базальт", СанктПетер бург.
Г Л А В А 8
С ПО С О БЫ О ТВЕРЖД ЕНИЯ ПО КРЫТИЙ
необходимой операцией после нанесения лакокрасочных мате риалов на поверхность является их отверждение, т. е. превраще ние в твердое состояние. На практике эту операцию обычно называ
ют сушкой. Термин "сушка", однако, не вполне отражает физико химическую сущность происходящих при этом процессов, так как формирование покрытий может быть результатом не только испа рения растворителей (высыхания), но и протекания других процес сов, описанных в гл. 3. В настоящей главе отверждение рассматрива ется с технологической точки зрения.
Формирование покрытий из лакокрасочных систем может быть проведено: 1) в естественных условиях (на открытой площадке или в помещении) при температуре окружающего воздуха и 2) в искусст венно созданных условиях при энергетическом воздействии на мате риал (тепловом, световом, радиационном и т. д.). Первый вид отвер ждения, применимый ко многим жидким лакокрасочным материалам (воднодисперсионным, перхлорвиниловым, эфироцеллюлозным и др.), не связан с использованием какоголибо оборудования и затратой энергии. Однако он длителен, неприемлем при поточных способах и приводит к получению покрытий недостаточно высокого качества.
Искусственное отверждение применимо к любым жидким и по рошковым лакокрасочным материалам. Оно позволяет существенно ускорить технологический процесс и улучшить качество покрытий, однако требует специального оборудования и затраты энергии. Изза выигрыша во времени и в качестве покрытий искусственное отвер ждение получило исключительно большое распространение в про мышленности. С расширением объема применения искусственных способов отверждения сильно возросли энергозатраты на производ ство покрытий. В настоящее время отверждение покрытий наиболее энергоемкая стадия всего технологического процесса. Отверждение пока остается и лимитирующей стадией производственного цикла, несмотря на то, что за последнюю четверть века продолжительность формирования покрытий в промышленности уменьшилась более чем в 2 раза.
В зависимости от способа энергетического воздействия на лако красочный материал различают: тепловое отверждение, отверждение
303
под действием УФизлучения и радиационное отверждение. Доми нирующим является тепловое отверждение. По количеству устано вок оно составляет в нашей стране около 90 %, УФ и радиационно химическое вместе взятые не более 10 %. В стадии разработки нахо дятся импульснолучевой, радиочастотный способы, отверждение в магнитном поле, при действии лазерного излучения и др.
При выборе способа и режима отверждения (сушки) покрытий учитывают многие факторы: вид лакокрасочного материала, харак тер подложки, размеры и степень сложности покрываемого изделия, поточность производства и др. Предпочтение отдают тем способам, которые более экономически выгодны, высокопроизводительны, ме нее трудо и энергоемки и обеспечивают лучшее качество покрытий.
8.1. ТЕПЛО ВО Е О ТВЕРЖД ЕНИЕ ПО КРЫТИЙ
Нагревание издавна применяется на практике для ускорения формирования покрытий как непревращаемого, так и особенно пре вращаемого типов. По способу подвода теплоты к покрытию разли чают следующие способы отверждения: конвективный, терморадиа ционный, индукционный. Наибольшее применение получили пер вые два, они хорошо разработаны технологически и аппаратурно.
8.1.1. КО НВЕКТИВНЫЙ С ПО С О Б
Основы способа. При конвективном способе нагревание слоя ла кокрасочного материала и изделия осуществляется за счет передачи теплоты от окружающего воздуха или топочных газов. Теплота пе редается поверхности и постепенно распространяется внутрь пленки, поэтому затвердевание покрытия происходит также с поверхности раздела пленка газовая среда. Такой способ отверждения не являет ся оптимальным. В случае жидких красок образующийся на поверх ности слой более высохшего материала замедляет диффузию и отвод растворителя из глубинных слоев пленки; в случае порошковых кра сок оплавленный с поверхности слой полимера мешает выходу воз духа из остальной части материала.
Вследствие низкой теплопроводности газов [для воздуха при 100 °С X ~ 0,028 Вт/(м • °С), т. е. в тысячи раз меньше, чем у металлов] в кон вективной передаче теплоты покрытию принимают участие лишь слои, непосредственно контактирующие с изделием. Для улучшения теп лопередачи применяют перемешивание нагретых газов, что вызыва ет дополнительную затрату энергии. Таким образом, конвектив ный способ отверждения малоэффективен и достаточно энергоемок. Его широкое применение, однако, объясняется рядом достоинств:
304
для камер периодического действия
Увозд = 2GKIxa.
для камер непрерывного действия
Увозд = 2G'KIa,
где G и G' масса растворителя, поступающего в сушилку с лакокрасочным материалом единовременно и в единицу времени соответственно; K посто янная, зависящая от температуры, п р и изменении температуры от 90 до 200 °С К изменяется от 2 до 5; т время испарения основной массы раство рителя, т = 510 мин; а н и ж н и й предел взрываемости паров растворителя.
Для обеспечения нормальной работы сушильных камер прини мают скорость движения (перемешивания) воздуха 0,82,5 м/с, раз ность температур подаваемого и отсасываемого воздуха 1012 °С. Количество свежего воздуха вводится с таким расчетом, чтобы кон центрация растворителя в сушильной камере не превышала 25 % от нижнего предела взрываемости.
Перспективные направления повышения эффективности кон вективной сушки покрытий увеличение скорости движения энер гоносителя (воздуха) и введение в него добавок паро или газообраз ных веществ, служащих катализаторами отверждения (для покрытий термореактивного типа). В первом случае заслуживает внимания ис пользование аэродинамического метода нагрева энергоносителя (на грев происходит равномерно за счет перехода механической энергии, развиваемой ротором центробежного вентилятора, в тепловую при циркуляции воздуха в замкнутом пространстве). При этом скорость движения воздуха достигает 9 м/с. В такой аэродинамической су шилке скорость отверждения покрытий в 1,52 раза выше, чем в обычной калориферной, потребляемая мощность на 2025 % ниже.
Второй случай реализуется на практике при отверждении поли уретановых, эпоксидных и других покрытий. Например, при введе нии в воздушную среду небольших количеств третичных аминов время отверждения таких покрытий сокращается в десятки раз и со ставляет 3060 с.
8.1.2. ТЕРМО РАД ИАЦИО ННЫЙ С ПО С О Б
Терморадиационный способ, или способ лучистого нагрева, во шел в промышленную практику в 30х годах прошлого века и в на стоящее время является одним из распространенных способов от верждения покрытий. Главные его достоинства высокая эффектив ность, простота и компактность оборудования.
Основы способа. Принцип отверждения основан на использова нии лучистой энергии, испускаемой нагретыми телами, такими, как
308
лампы накаливания, металлические и керамические плиты, спирали, газовые горелки и др.
По закону смешения Вина длина волны, соответствующая мак симуму интенсивности излучения Хм а к с , находится в обратной зави симости от абсолютной температуры:
Хмакс = 2998IT.
Общее количество энергии Q (в МДж!ч), излучаемой нагретым телом, может быть оценено по формуле Стефана Больцмана:
Q = 20,6 • 10 8 sFT4 ,
где s степень черноты; F поверхность излучения.
Таким образом, в зависимости от природы поверхности и темпе ратуры нагрева спектральная характеристика излучения различных тел неодинакова. Например, максимум интенсивности ИКизлуче ния лампы ЗС2 (зеркальная для сушки) приходится на 1200 нм, а чугунной плиты (T = 650 К) на 4500 нм.
Коротковолновое излучение с Х = 7602500 нм считается свет лым. Такое излучение характерно для ламповых (или "светлых") из лучателей. В отличие от него, излучение с Х = 35004500 нм называют темным. Источниками его являются тела с температурой нагрева 650720 К ("темные" излучатели).
Степень восприятия лакокрасочными материалами лучистой энер гии с различной длиной волны неодинакова, соответственно разли чен и эффект ее действия при отверждении.
Непигментированные жидкие лакокрасочные материалы, как и твердые покрытия в слоях толщиной до 50 мкм, достаточно прони цаемы для ИКлучей, при этом проницаемость уменьшается с уве личением длины волны. Эта закономерность сохраняется и для по рошковых материалов, но относительная прозрачность порошков изза большой рассеивающей способности во всем диапазоне длин волн намного меньше, чем жидких материалов. По мере формиро вания покрытий проницаемость порошковых пленкообразователей для ИКлучей резко возрастает.
Оптические характеристики пигментированных покрытий, осо бенно отражательная способность, могут изменяться в зависимости от вида пигмента. Это сказывается на скорости формирования по крытий при лучистом нагреве. Так как пленка поглощает и отражает только часть лучистой энергии, то остальная, большая ее доля, попа дает на подложку. Отсюда, изменяя спектральные характеристики ИКизлучения и оптические свойства лакокрасочного материала и подложки, можно вызвать предпочтительный нагрев пленки, под
309
