Яковлев АД 2020

8.1.3. ИНДУКЦИО ННЫЙ С ПО С О Б

При индукционном способе окрашенное изделие помещают в переменное электромагнитное поле токов промышленной, повы­ шенной или высокой частоты. Нагрев происходит за счет вихревых токов, индуцируемых в подложке из ферромагнитных материалов. Для отверждения покрытий применяют сушильные установки в виде металлических щитов или камер, в которых смонтированы кассеты с набором нагревательных элементов ­ индукторов. Последние состо­ ят из магнитопровода (набор изолированных друг от друга пластин листовой стали) и обмотки из медной проволоки. При прохождении через обмотку переменного тока с частотой 50­800 Гц создается элек­ тромагнитное поле. Если в непосредственной близости от индукто­ ров (расстояние не более 10 мм) поместить окрашенное изделие, то оно будет нагреваться, передавая теплоту покрытию. Нагрев можно проводить с большой скоростью и практически до любой темпе­ ратуры.

Обычно отверждение покрытий осуществляют при 100­ 300 °С. В этих условиях продолжительность отверждения алкидных покры­ тий составляет 5­30 мин.

По эффективности индукционный способ отверждения пример­ но равнозначен терморадиационному. Однако он не получил ши­ рокого распространения в основном из­за невозможности нагрева изделий сложной формы, ограничений в выборе материала под­ ложки и недостаточно высокой стабильности работы установок. В промышленности установки с индукционным нагревом приме­ няются для отверждения покрытий на вагонах, контейнерах, сталь­ ной ленте, трубах, проволоке, обмотках электрических машин и других изделиях.

Из других способов теплового отверждения покрытий следует указать на сушку пропусканием электрического тока через окрашен­ ное изделие и СВЧ­сушку. Первый способ связан с нагревом субстра­ та (проводника или полупроводникового материала) в результате электросопротивления при прохождении через него электрического тока. Способ нашел применение для отверждения покрытий на таких объектах, как проволока, рулонный металл, трансформаторы, неко­ торые виды электрооборудования.

СВЧ­сушка ­ один из наиболее быстрых способов нагрева неме­ таллических субстратов (стекло, керамика и др.). Он пригоден для удаления воды (высушивания) из водоразбавляемых лакокрасочных материалов и других составов, содержащих растворители с большим дипольным моментом.

313

8.2. О ТВЕРЖД ЕНИЕ ПО КРЫТИЙ ПО Д Д ЕЙС ТВИЕМ УФ­ ИЗЛУЧЕНИЯ

Способ отверждения покрытий УФ­излучением получил про­ мышленное развитие в конце 60­х годов прошлого века и в настоя­ щее время считается одним из наиболее перспективных. Достоинст­ вами этого способа являются: относительно высокая производитель­ ность, малые затраты энергии, несложность оборудования. Вместе с тем отверждение под действием УФ­излучения применимо к ограни­ ченному числу лакокрасочных материалов. Его используют главным образом при получении покрытий из материалов, способных отвер­ ждаться за счет реакции полимеризации. Такие покрытия получают на древесине, картоне, бумаге, тканях, нередко на металлах и других материалах. Принцип отверждения основан на способности УФ­лу­ чей инициировать реакцию полимеризации указанных олигомерных материалов. Энергия УФ­излучения достаточно высока ­ 3­12 эВ, что в 2­4 раза выше энергии лучей видимого света. Это позволяет про­ водить отверждение покрытий с удовлетворительной скоростью при нормальной температуре.

Самое коротковолновое УФ­излучение (длины волн 100­280 нм), обладающее наиболее высокой энергией, абсорбируется, как прави­ ло, в верхних слоях покрытия, что снижает полноту отверждения. Поэтому для эффективного отверждения всего покрытия предпоч­ тительнее длинноволновое излучение (315­380 нм).

Для инициирования реакций отверждения применяют УФ­ини­ циаторы и УФ­сенсибилизаторы. При воздействии УФ­излучения первоначально переходит в возбужденное состояние сенсибилизатор, после чего он передает энергию возбужденного состояния инициато­ ру. Последний в результате фрагментации образует радикалы, кото­ рые вызывают радикальную полимеризацию пленкообразователя, имеющего ненасыщенные связи.

В качестве фотоинициаторов применяют бензофенон и его про­ изводные ­ бензил, простые эфиры бензоина, бензилкетали, а­ами­ ноалкилфеноны, моно­ и дибензоилфосфиноксиды и др.

Некоторые УФ­инициаторы, например бензилкетали, способны при распаде образовывать по несколько радикалов (до четырех):

RR

314

УФ­сенсибилизаторами (ускорителями) обычно служат алифа­ тические амины (N­метилдиэтаноламин, триэтаноламин и др.). Ус­ коряя процесс отверждения, они нередко сокращают жизнеспособ­ ность композиций.

Для получения покрытий применяют следующие олигомерные пленкообразователи: полиэфирмалеинаты, полиэфиракрилаты, эпо­ ксиакрилаты, полиуретанакрилаты, силиконакрилаты.

С максимальной скоростью формируются непигментированные покрытия; введение пигментов замедляет процесс. Это связано с тем, что большинство широко применяемых неорганических и органиче­ ских пигментов поглощает УФ­лучи в той же спектральной области (200­400 нм), что и фотоинициаторы; их коэффициент отражения К < 10 %. Только при применении специальных пигментов (метати­ танат магния, оксиды циркония, ванадия, сурьмы, сульфид и селенид кадмия) с К > 30 % были разработаны специальные эмали фотохи­ мического отверждения. Фотоинициирование полимеризации, учи­ тывая области максимальной адсорбции УФ­излучения, происходит в диапазоне длин волн до 700 нм. Соответственно этому выбирают источники УФ­излучения: ртутные, люминесцентные и ксеноновые лампы и кварцевые излучатели. Предпочтительны источники с вы­ сокой эмиссией в диапазоне длин волн 300­400 нм и максимумом излучения в области 360­370 нм. Полиэфирные лаки в большинстве случаев отверждают излучением от ламп двух типов: люминесцент­ ных низкого давления и ртутных высокого давления. Перспектив­ ным источником УФ­излучения является излучение плазмы аргона, образующейся при дуговом разряде. Такие излучатели способны создавать поток излучения с поверхностной плотностью до 75 кВт/м2 (для ртутных ламп она примерно равна 12 кВт/м2 ).

Отверждение покрытий при УФ­излучении проводят на уста­ новках непрерывного и периодического действия. Особенно хорошо зарекомендовал себя этот способ при поточной отделке щитовой мебели. В типовом варианте установка непрерывного действия вклю­ чает: камеру отверждения с ртутными УФ­лампами и рефлекторами (применяются лампы низкого ­ ЛЭР­30, ЛЭР­40 и высокого ­ ДРТ­ 10000, ДПТ­12000 давления), охладитель (предусматривается охлаж­ дение изделий или ламп холодным воздухом), напольный конвейер, систему вентиляции. Отверждают лаки, эмали и шпатлевки. Продол­ жительность отверждения лаков (ПЭ­2106) 1­2 мин, эмалей и шпатле­ вок при толщине слоя до 150 мкм 2­5 мин. Более тонкие покрытия отверждаются быстрее. В промышленных условиях отверждение по­ крытий проводят при больших скоростях конвейера (10­50 м/мин). Эксплуатационные расходы на установках УФ­сушки в 1,5­2,0 раза меньше, чем на установках терморадиационного отверждения.

315

вочных строительных плит, листового и рулонного металла, карто¬ на, плоских изделий из пластмасс. Характерно, что покрытия на пла­ стмассовых изделиях, отвержденные электронным излучением, как правило, имеют более высокую адгезию, чем равнозначные покры­ тия УФ­отверждения. Это объясняется тем, что излучение, проникая до подложки, активирует ее и тем самым создает условия для хими­ ческой прививки к ней лакокрасочного материала. Электронное от­ верждение проводят при скоростях движения конвейера (или ленты) 10­60 м/мин.

Подсчитан экономический эффект от использования радиаци­ онного отверждения при отделке мебельных щитов (по сравнению с терморадиационным отверждением): энергозатраты сокращаются в 6­9 раз, затраты труда в 6­14 раз, стоимость покрытий в целом сни­ жается примерно в 2 раза. Однако электронное отверждение рента­ бельно лишь при больших объемах производства покрытий (более 20 тыс. м2 /год). Доля его применения среди других способов отвер­ ждения покрытий не превышает 1 %.

8.4. О ТВЕРЖД ЕНИЕ ПО КРЫТИЙ, ПО ЛУЧА ЕМЫХ ИЗ ПО РО ШКО ВЫХ КРА С О К

Отличительные особенности порошковых лакокрасочных мате­ риалов ­ полное отсутствие жидких компонентов (растворителей, воды) и аэрозольное состояние материала (дисперсии твердое тело ­ воздух) ­ определили некоторые особые подходы к формированию покрытий.

Традиционная технология получения из них покрытий связана с нагреванием изделий с нанесенным порошковым материалом. Тем­ пературные параметры отверждения для большинства термореак­ тивных красок лежат в пределах 160­200 °С, термопластичных ­ 200¬ 350 °С. Для их отверждения потенциально пригодны все известные способы теплового воздействия. Из соображений "мягкого" нагрева и возможности широкого варьирования формы изделий наибольшее применение получил конвективный способ, несколько меньше ис­ пользуются терморадиационный и индукционный.

Порошковые краски, как дисперсные системы, обладают значи­ тельно меньшей теплопроводностью, чем жидкие. Вследствие боль­ шого содержания воздуха (от 50 до 80 % об.) слой любого порошково­ го состава (особенно непигментированного) представляет определен­ ный тепловой барьер для доступа теплоты к поверхности субстрата. При конвективном нагреве плавление порошка начинается с поверх­ ности, постепенно продвигаясь внутрь образца. Это особенно замет­

318

но на термопластичных пленкообразователях с высокой температу­ рой размягчения и высокой вязкостью расплавов. ИК­излучение также значительно рассеивается слоем порошкового материала. Прони­ кающая способность лучистой энергии растет с уменьшением длины волны и с увеличением мощности излучения. Время нагрева изделий до заданной температуры при ИК­воздействии обычно в 5­10 раз меньше, чем при конвективном.

Другая особенность порошковых красок ­ относительно корот­ кий цикл отверждения (5­20 мин) ­ обусловливает необходимость обеспечения постоянства температуры как по сечению, так и по вы­ соте нагревательных устройств во избежание недоотверждения или переотверждения покрытий. Допускаются колебания температуры не более 2,5 °С. В установках терморадиационного нагрева по этой же причине нежелательно формирование покрытий на разнотолщинных изделиях. Вариации по толщине отдельных частей изделия, равно как и разных изделий, на одном конвейере не должны превышать 4 : 1.

Из­за малого содержания летучих веществ в порошковых крас­ ках (не более 1 %) кратность обмена воздуха в установках отвержде­ ния порошковых красок в несколько раз меньше, чем при отвержде­ нии жидких, содержащих растворители. Допускается применение естественной вентиляции.

Для отверждения покрытий из порошковых красок, в зависимо­ сти от объема производства, габаритов и формы изделий, применяют разные по конструкции и форме нагревательные устройства: тупи­ ковые (камерные), проходные (туннельные), горизонтальные, верти­ кальные, с тепловым подпором (горбатые), одноходовые (прямоточ­ ные), многоходовые, с циклическим движением конвейера. Они мо­ гут быть электрическими, газовыми, на жидком топливе.

Стремление к ускорению процессов отверждения и снижению энергозатрат привели в последнее время к появлению новых методов формирования покрытий, в частности с использованием жидких те­ плоносителей, высокотемпературного нагрева, УФ­ и лазерного из­ лучения.

Применение жидких теплоносителей. В этом случае в качестве теплоносителя используют не нагретые газы, как обычно, а жидко­ сти ­ расплавы металлов (сплав Вуда С­1), нитрит­нитратную смесь (сплав СС­4), жидкие силиконы, углеводородные масла и др. Вслед­ ствие высоких коэффициентов теплопроводности (в тысячи раз боль­ ше, чем у воздуха) и теплопередачи продолжительность формирова­ ния покрытий из термопластичных полимеров (фторопласты, пен­ тапласт, полиэтилен, поливинилхлоридные составы) сокращается в десятки раз (рис. 8.10).

319