2.3. Формирование покрытий из порошковых

пленкообразователей

Из порошковых материалов получают как термопластичные, так и термо­реактивные покрытия.

Термопластичные покрытия могут быть получены из полиэтилена, поли­винилхлорида, фторопластов и других термопластов, а термореактивные чаще всего из олигомерных реактопластов (эпоксидных, полиэфирных, полиуретано­вых и др.).

Порошковые краски являются грубыми дисперсиями, с размером частиц 0,1…100 мкм (10^-7…10^-4 м).

Вследствие того, что дисперсионной средой в них служит воздух, они об­ладают большим избытком поверхностной энергии (∆Gпов) и высоким меж­фазным натяжением на границе полимер – воздух, которое составляет 20...50 мДж/м², что в несколько раз больше, чем у дисперсий в жидких средах.

Формирование покрытий из порошковых лакокрасочных материалов свя­зано с протеканием следующих процессов на поверхности подложки:

1) ожижение – переход порошкового материала в капельножидкое состояние;

2) монолитизация – слияние частиц (капель);

3) отверждение – переход материала в твердое состояние при охлаждении (а в случае реактопластов – и в результате химической реакций).

Ожижение пленкообразователей проводят нагреванием, однако возможно применение дозированного воздействия на порошок паров растворителя.

Для каждого полимера экспериментально или расчетным путем по вязко­сти (расплава, раствора) может быть найдена минимальная температура плен­кообразования (Тпо), при которой обеспечивается слияние частиц.

Процесс слияния частиц с удовлетворительной скоростью проходит в вязкотекучем состоянии полимеров.

Поверхностная энергия ∆Gпов, освобождающаяся в результате сокраще­ния поверхности частиц при их слиянии, является функцией радиуса частиц R, поверхностного натяжения расплава σ и радиуса поверхности X:

(2.3)

Р ис.2.4. Схема слияния двух частиц при пленкообразовании R- радиус частиц порошка; X- радиус поверхности контакта.

∆Gпов быстро уменьшается во времени в связи с ростом X и резким уменьшением капиллярных сил (капиллярное давление ∆p = 2σ/ρ).

П роцесс слияния частиц обычно контролируют по изменению X/R, удельного объема ∆V/V, светопропусканию D и др. параметрами.

Рис.2.5. Температурная зависимость изменения удельного объема ∆V/V и светопропускание D слоя порошкового материала.

Оценивая изменения свойств порошкового материала при нагревании, можно судить о завершенности процесса, определить значения минимальной температуры пленкообразования Т_по и продолжительности пленкообразования τ_по; они экспоненциально связаны между собой:

(2.4)

где Епо – энергия активации процесса пленкообразования;

А – постоянная.

Пленкообразование сплавлением может проходить в широком диапазоне температур, нижний предел которого определяется температурой текучести по­лимера, а верхний – температурой его разложения. В связи с этим формирова­ние покрытий из любого порошкового пленкообразователя может быть прове­дено в широком интервале температур, однако продолжительность процесса будет сильно различаться. Например, покрытия из поливинилбутеральной краски ПВД-212 можно получать в диапазоне 170…250 ⁰С, при этом время слияния частиц снижается с 30-ти до 3-х мин.

Скорость слияния можно регулировать путем изменения размера частиц, вязкости и поверхностного натяжения расплава.

Высокодисперсные порошки формируют покрытия значительно быстрее и при более низких температурах, чем грубодисперсные.

Например, покрытия из порошковой краски с размером частиц 1…5 мкм легко получаются при 180…190 ⁰С, а при размере частиц 50…250 мкм необходимо нагревание до 220…240 ⁰С.

Вязкость – наиболее легко регулируемый параметр – снижают использо­ванием пленкообразователей с меньшей молекулярной массой, введением пла­стификаторов, модификаторов и др.

Наиболее медленно и при высокой температуре формируются покрытия из полимеров с высокой молекулярной массой, особенно фторопластов (в этом случае сплавление проводят при температурах 300…350 ⁰С в течение 20…40 мин.). Напротив, слияние частиц олигомеров протекает с большой скоростью уже при температурах 80…120 ⁰С.

При получении покрытий трехмерного строения лимитирующей стадией пленкообразования является образование пространственно-сшитого полимера.

Следует подчеркнуть, что реакции “сшивания”, связанные с ростом вязко­сти системы, должны протекать лишь после завершения слияния частиц, в про­тивном случае не удается получить качественные покрытия.

Общее время формирования покрытия будет складываться из времени слияния частиц τ_с и времени образования трехмерной сетки τ_тр:

(2.5)

В процессе пленкообразования следует учитывать также время, затрачи­ваемое на нагревание лакокрасочного материала и подложки до температуры пленкообразования Тпо, и время, расходуемое на их охлаждение до комнатной температуры.