Нанесение порошковых красок

Существуют различные способы получения покрытия на основе ПК. Однако ниже будет рассматриваться лишь наиболее распространенный процесс с использованием на стадии нанесения на изделие электростатически заряженной порошковой краски, распыляемой специальным пневматическим распылителем (пистолетом-распылителем) и удерживаемой на поверхности заземленного окрашиваемого изделия силой электростатического притяжения.

Процесс осуществляется в камерах нанесения, которые оснащены системами отсоса воздуха для предотвращения попадания порошковой краски в помещение и совмещенными с ними системами улавливания прошедшей мимо окрашиваемого изделия порошковой краски для возврата ее в процесс и утилизации или обезвреживания.

Пистолеты-распылители с питателями составляют установку (агрегат) нанесения ПК, обеспечивающую получение смеси ПК с воздухом, образование факела и приобретение частицами порошковой краски электрического заряда.

Вылетающая из пистолета заряженная порошковая краска образует факел той или иной формы в зависимости от применяемого сопла (насадки) пистолета, движется под влиянием струн воздуха в факеле и силы электрического притяжения к заземленной окрашиваемой детали и оседает на ее поверхности, удерживаясь теми же силами электрического притяжения.

Пистолеты-распылители

Применяют два способа заряда частиц ПК: коронируюшим электродом, находящимся под высоким напряжением, и с использованием “трибоэффекта”, т.е. эффекта приобретения разноименных зарядов соприкасающимися телами, изготовленными из разных материалов.

При первом способе применяется подвод высокого (20—100 тыс. В) постоянного по знаку напряжения к коронирующему электроду от специального генератора высокого напряжения, располагающегося в зависимости от конструкции внутри пистолета или вне его. В случае ручных пистолетов следует отдавать предпочтение генераторам, встроенным в пистолет, так как при этом обеспечивается более высокая безопасность работника (подвод к пистолету безопасного напряжения от 9 до 30 В в зависимости от модели) и исключается необходимость подсоединения к пистолету высоковольтного кабеля, более жесткого и тяжелого по сравнению с низковольтным, что вызывает повышенную утомляемость работающего.

При втором способе зарядки частиц ствол и другие детали пистолета, с которыми соприкасается порошковая краска, изготавливается из специального материала (обычно фторопласта — для эпоксисодержащих ПК).

Наиболее существенная разница в эффективности этих способов зарядки ПК и выбора между ними при окраске тех или иных деталей заключается в наличии при первом способе зарядки сильного электрического поля, принуждающего частицы ПК двигаться по его силовым линиям, или почти полном отсутствии такого поля при трибозарядке. Поэтому принудительная зарядка ПК от коронирующего электрода распылительного пистолета обуславливает значительную разницу в количестве осевшей на поверхности изделия ПК в местах выступов и ровных поверхностей. Играет роль также расположение изделий относительно пистолетов, расстояние и направление ствола последних, применяемые насадки на ствол. При близкой навеске деталей, например на конвейере, они могут взаимно экранировать друг друга.

Вообще детали сложной формы при окраске распылителями с коронирующим электродом создают больше проблем, чем с трибозарядкой, особенно при использовании автоматических манипуляторов. Часты случаи непрокраса углублений, внутренних углов, пазов, требующих дополнительной ручной подкраски, использования направленных факелов с высокими скоростями струй воздуха, “вдувающих” аэрозоль ПК в такие места, уменьшения напряжения на коронирующем электроде, что также снижает производительность и увеличивает количество ПК, прошедшей мимо изделия.

На конвейерных линиях при малой частоте движения распылителей на траверсе по сравнению со скоростью движения изделия на конвейере в сочетании с узким или неравномерным факелом возможно получение разнотолщинного покрытия в виде чередующихся полос (волн) — следов относительного движения факела и изделия. Такой же дефект может быть и при ручном нанесении ПК из-за недостаточной квалификации работающего или спешки.

При окраске деталей сложной формы проще использовать распылитель ПК с трибозарядкой. Однако следует учитывать, что не все порошковые краски могут заряжаться трением, а специальные стоят дороже. Имеются также в продаже добавки, обеспечивающие возможность нанесения обычных ПК трибораспылителями. Как правило, производительность процесса нанесения пистолетами-распылителями с трибозарядом пониженная, а процент оседания ПК на изделие ниже, чем при применении пистолетов-распылителей с коронирующим электродом. Неизбежно также постепенное снижение эффекта трибозаряда с уменьшением суммарного напряжения зарядки ПК, повышение доли незарядившегося порошка и, соответственно, не осевшего на деталь, по мере износа деталей пистолета-распылителя, что требует их периодической замены на новые. Поэтому низкая исходная цена установок с трибозарядкой не гарантирует снижение себестоимости окраски единицы поверхности изделия порошковой краской на них по сравнению с использованием более дорогих установок с генераторами высокого напряжения.

Питатели

Как уже отмечалось выше, в установках с распылительными электро- или трибостатическими пистолетами используется смесь ПК с воздухом (аэровзвесь). В типовых промышленных системах нанесения аэровзвесь получают в питателях, куда порошковая краска либо засыпается на пористую перегородку, сквозь которую подается воздух под давлением, переводящий всю ПК во взвешенное (так называемый “кипящий слой”) состояние, либо сжатый воздух подается в порошковую краска специальным устройством, создавая местную область “кипящего слоя”, из которой аэровзвесь ПК засасывается воздушным насосом — эжектором, разбавляется до более низкой концентрации добавочным воздухом и транспортируется к распылительным пистолетам (в ряде установок большой производительности, особенно в составе конвейерных линий окраски, от одного питателя работают несколько пистолетов).

В связи с общей тенденцией снижения удельного расхода ПК на окраску и, соответственно, уменьшения толщины конечного покрытия ведущие фирмы перешли к производству ПК с уменьшенным средним размером частиц, но перевод таких порошков во взвешенное состояние осложняется. Поэтому многие фирмы снабжают питатели вибраторами, облегчающими создание "кипящего слоя".

Пистолеты для лабораторных или мелких работ по нанесению ПК имеют встроенный питатель вместе с небольшой емкостью для порошковой краски. На них, как правило, труднее получить однородную аэровзвесь и, соответственно, равномерный факел, особенно при его включении и выключении: нередко при этом наблюдается выброс агрегатов. Поэтому нежелательно, чтобы ствол такого пистолета в моменты включения и выключения был направлен на изделие. Следует также помнить об ограниченной емкости воронки, вмещающей обычно не более 200 г порошковой краски. В то же время зачистка такого пистолета намното проще, чем распылителя с отдельным питателем.

Особенности эксплуатации установок нанесения ПК

При нанесении порошковых красок с использованием электростатики — с генераторами или трибозарядом — нужно обратить особое внимание на надежность заземления пистолета-распылителя и окрашиваемого изделия. Заземление распылителя необходимо не только для гарантии безопасности работающего, но и для оттока заряда, что обеспечивает непрерывность электрической цепи. Плохое заземление детали и/или распылителя приводит к тому, что ПК не удерживается на изделии, а осыпается и увлекается в систему рекуперации: порошковая краска “не заряжается”. Регулярная зачистка подвесок для изделий — залог успешной работы установки. Указанные в литературе допустимые сопротивления подвески деталей до 100 кОм часто бывают слишком большими для низких напряжений коронирующего электрода или для трибозаряда ПК. Следует избегать удлинения проводов заземления и питания против штатных в особенности для ручных пистолетов с внутренней зарядкой.

Порошковая краска может плохо ложиться и удерживаться на поверхности изделия с сохранившейся при плохом обезжиривании пленкой масла, являющегося хорошим изолятором, а при неравномерном обезжиривании можно наблюдать снижение толшины покрытия на масляных пятнах с увеличением толщины по границам пятна.

От работы питателя во многом зависит успешная работа всей установки, поэтому необходимо обратить особое внимание на подбор режимов, а для старых установок — подбор специальных добавок, облегчающих перевод современных мелкодисперсных ПК во взвешенное состояние.

С плохой работой питателя связан следующий типичный дефект покрытия: наличие на нем местных утолщений, которые образуются в тех случаях, когда в питателе и эжекторе не обеспечивается разрушение агрегатов порошковой краски или краска транспортируется к пистолету в чрезмерно большой концентрации. Как правило, снижением концентрации ПК в факеле (уменьшением подачи воздуха на порошок и/или увеличением подачи воздуха на эжектор) удается исключить наличие в факеле пистолета агрегатов краски.

Той же цели достигают, устанавливая сопло на пистолете со специальной насадкой, препятствующей попаданию прямой струи аэровзвеси порошка на изделие. Желательно также увеличить расстояние от сопла пистолета до изделия.

Следует отметить, что те же дефекты могут быть вызваны и другими причинами, в частности при включении пистолета, направленного на изделие, когда ПК, осевшая в шланге, выбрасывается в факел или когда в шланге имеются места (отслоения внутреннего слоя многослойных шлангов, уступы на местах соединения со штуцерами и т.п.), где ПК оседает на стенках и при движении пистолета или начале подачи воздуха может срываться, попадая в факел в виде слежавшихся комков и агрегатов. При плохом качестве используемого воздуха, содержащем капли жидкости (влаги, масла), также могут образоваться не разрушаемые агрегаты ПК, оседающие в конечном счете на изделии. Трудно разрушаемые агрегаты образуются также при длительном хранении порошковой краски, особенно при повышенных температурах и при высокой влажности в помещении в сочетании с негерметичной тарой. Особо следует предупредить о возможности увлажнения и агрегирования ПК в негерметичной таре или при слишком раннем открывании последней в случае перемещения упаковок порошковой краски из холодного в теплое помещение, что происходит вследствие конденсации влаги из атмосферы помещения на холодной ПК. В редких случаях причиной агрегирования является низкая температура стеклования порошковой краски, а для отечественных производителей, применяющих мягкую тару; — неправильное складирование или транспортирование высокими штабелями.

В любом случае нужно иметь в виду, что режимы работы с меньшими концентрациями факела распылительного пистолета обеспечивают более равномерную и экономную окраску изделий, однако требуют большего времени окраски. Для порошковых красок, склонных к агрегированию или содержащих агрегаты по тем или иным причинам, такие режимы работы следует считать предпочтительными.

Перемещение факела распылителя вдоль поверхности изделия на расстоянии, как правило, 200 — 400 мм (в зависимости от модели распылителя) с определенной скоростью должно обеспечить получение на ней слоя ПК достаточной толщины для образования из него непрерывной пленки заданной толщины. Для увеличения производительности процесса на конвейерных линиях нанесения ПК в камере устанавливают несколько распылителей на специальных траверсах как стационарных, так и совершающих возвратно-поступательное движение в вертикальном направлении. В последнее время вместо этого используют также высокопроизводительные дисковые распылители, создающие цилиндрическое облако заряженной ПК, через которое движется по кругу подвешенное на конвейере изделие.

Для покрытий чисто декоративного назначения современные материалы с хорошей укрывистостью обеспечивают возможность окраски слоем толщиной 35—45 мкм, для защитно-декоративных покрытий оптимальная толщина покрытия 60—100 мкм, для чисто защитных толщина покрытия должна быть в пределах 60—120 мкм, но может быть увеличена в особых случаях до 400 мкм.

Толщина получаемого покрытия зависит от концентрации ПК в факеле распылителя, размеров факела (определяющих производительность питателя по порошковой краске), скорости движения факела (или времени прохода изделия через факел распылителя) и—в меньшей степени — от напряжения на коронирующем электроде (степени зарядки ПК), которое влияет на процент осаждения материала на изделие.

Многообразие моделей пистолетов-распылителей ПК и питателей не позволяет дать другие рекомендации по их выбору и использованию, однако следует имеет в виду следующие общие зависимости:

• увеличение давления воздуха на подачу порошковой краски повышает концентрацию ПК в аэровзвеси, увеличивает скорость нарастания толщины слоя ПК на окрашиваемом изделии, требует сокращения времени нанесения для получения заданной толщины, повышает производительность, но может обусловить неравномерность по толщине получаемого покрытия на изделии как при ручной окраске, так и при автоматической (если частота движения траверсы с распылителем недостаточна по сравнению со скоростью движения детали на конвейере); возрастает вероятность появления агрегатов частиц ПК в факеле и связанных с этим дефектов поверхности окрашенной детали;
• увеличение давления воздуха на эжектор (в разных инструкциях именуется : “разбавление”, “распыление”, “дополнительный” и др.) повышает скорость транспортировки аэровзвеси по шлангу к пистолету, уменьшает концентрацию ПК в факеле, вероятность появления агрегатов в факеле распылителя и, соответственно, снижает возможность получения связанных с этим дефектов покрытия; практически не влияет на производительность, увеличивает равномерность толщины покрытия, при установке направленных сопел облегчает прокраску пазов, углублений и т.п., однако требует осторожности при выборе расстояния от сопла до окрашиваемого изделия из-за возможности “сдувания” уже нанесенного слоя; возможно некоторое снижение доли осевшего на изделии материала, при чрезмерном увеличении давления воздуха (выше давления на “подачу”) может вызвать перебои в подаче аэровзвеси к распылителю, особенно при большой длине шланга от питателя к распылителю или малом его сечении;
• увеличение напряжения на коронирующем электроде повышает долю осевшей на изделии ПК, позволяет увеличить производительность окраски, однако может служить причиной неравномерности получаемой толщины слоя ПК и, соответственно, толщины покрытия (особенно на деталях сложной формы), появления дефектов покрытия из-за “отскока” слоя ПК в местах превышения им определенного предела толщины.

Наладка режимов работы распылителей и питателей требует навыка, при этом должны учитываться как рекомендации их изготовителя, так и рекомендации поставщика ПК.

Камеры нанесения и системы рекуперации

Конструкции камер нанесения и систем рекуперации так многообразны, что давать рекомендации по их выбору, кроме самых общих, очень трудно без конкретных привязок к планируемому производству.

Камеры нанесения из диэлектрических материалов со специальным электропроводным покрытием обеспечивают более полное и равномерное осаждение порошковой краски на изделие, однако при неправильном, без учета всех факторов работы со взрывоопасными пылевоздушными смесями конструировании могут представлять источник повышенной опасности из-за накопления значительных зарядов статического электричества и поэтому их нельзя рекомендовать для самостоятельного изготовления.

Наибольшее распространение получили камеры из листового металла как для маленьких установок с ручными пистолетами, так и для высокопроизводительных конвейерных линий.

Наличие в камере неровностей, горизонтальных уступов, щелей, нескругленых углов и других мест, затрудняющих зачистку по окончании работы и при переходах, может отразиться на качестве получаемого покрытия в виде вкраплений и кратеров.

Необходимо обеспечить разрежение в камере по отношению к помещению и скорость воздуха в открытых проемах (для подачи и выхода изделий, для доступа к изделию окрасочных пистолетов-распылителей) должна быть в пределах от 0,25 м/с для работы на современных мелкодисперсных ПК до 0,6—0,8 м/с для материалов со средним размером частиц более 45—50 мкм. Скорость подсоса воздуха в камеру должна предотвращать попадание порошковой краски в помещение, в котором она находится. Всегда лучше иметь резерв производительности и напора вентилятора и уменьшать скорость подсоса воздуха шибером, хотя при этом и увеличивается потребление электроэнергии.

Система рекуперации должна улавливать максимально возможное количество ПК для возврата в процесс (в питатель) или для другой утилизации и обеспечения необходимых экологических характеристик установки.

Обобщая имеющийся опыт эксплуатации установок нанесения ПК, можно рекомендовать двухступенчатую систему улавливания ПК с использованием на первой ступени пылеотделителя центробежного типа (например, циклона), а на второй фильтра. В этом случае обеспечивается возможность возврата ПК из первой ступени улавливания в процесс нанесения, а из второй ступени улавливания, где возможно загрязнение ПК волокнами фильтра или другой порошковой краской (из-за трудности зачистки при переходах с одного материала на другой), направлять выгруженный материал на утилизацию или обезвреживание. Это позволяет использовать до 97—98% загруженной в питатель исходной ПК. Такая система улавливания позволяет снизить концентрацию ПК в отходящем воздухе ниже ПДК для рабочего места, составляющей обычно 5—8 мг/м3.

Тем не менее нельзя рекомендовать выбрасывать отработанный, очищенный воздух в помещение, где находится установка, как это делают многие фирмы — изготовители оборудования для нанесения, так как это приводит в ряде случаев к общему загрязнению помещения, накопления в нем горючей взрывоопасной пыли на поверхностях оборудования, лестницах, площадках, воздуховодах, трубопроводах и пр., что в конечном счете при отсутствии регулярных мокрых уборок помещения может привести не только к браку покрытия (сорность, крапинки другого цвета) при подсосе этой пыли в камеру нанесения, но и к аварии при случайном, не связанном с процессом нанесения, загорании, например из-за нарушении ТБ.

Как показала практика, многие фильтровальные перегородки (в частности, нетканые материалы на основе лавсана), хорошо справляясь с очисткой воздуха от пыли ПК, по мере старения сами начинают выделять волокна в выбрасываемый в помещение воздух. Далее с воздухом, забираемым камерой нанесения, они попадают в систему рекуперации и питатель, нарушают работу питателя, распылителя, оседают вместе с ПК на изделии, приводя к появлению дефектов и брака.

Содержание помещения и оборудования в чистоте, еженедельные влажные уборки с применением промышленных пылесосов позволяют избегать получения дефектов на покрытии в виде механических и других посторонних включений, попадающих в ПК или на изделие как на стадии нанесения, так и на протяжении всего процесса получения покрытия. Поэтому при возникновении дефектов в виде того или иного вида сорности необходимо просмотреть всю цепочку операций, которые проходит изделие, прежде чем предъявлять поставщику обвинение к сорности ПК.

Формирование покрытия

После нанесения изделие со слоем порошковой краски направляется на стадию формирования покрытия, включающую процессы оплавления слоя ПК с получением пленки, ее отвердения и заключительного охлаждения.

Для оплавления, образования пленки и отвердения покрытия используются печи самого различного типа: тупиковые и проходные, с электрообогревом и обогревом топочными газами, горизонтальные и вертикальные, одно- и многоходовые. Главное требование к ним для обеспечения качества покрытия — способность равномерно прогреть изделие с ПК при заданной для данной ПК температуре в течение определенного времени, достаточного для отвердения порошковой краски. Для тупиковых печей большое значение имеет также скорость подъема температуры. Этим требованиям в наибольшей степени отвечают печи с рециркуляцией воздуха. Производители ПК в сопровождающей техдокументации указывают, как правило, несколько возможных режимов отверждения, обеспечивающих гарантированное качество покрытия для каждого конкретного материала. Наиболее распространенные порошковые краски отверждаются при температуре 180—200°С с точностью поддержания в объеме и во времени в пределах не более ±5°С, в течение 15—30 мин. Необходимо подчеркнуть, что под температурой отверждения подразумевается температура поверхности окрашиваемого изделия, а не температура в печи.

При нагреве в печи изделия со слоем заряженной ПК (которая удерживается на поверхности силой электрического притяжения) до 90—1 КУС частицы порошковой краски расплавляются, сливаясь в непрерывную пленку вязкого расплава, смачивающего поверхность изделия. При этом воздух, находившийся в слое ПК, вытесняется. Однако часть воздуха остается в пленке, создавая поры, ухудшающие защитные и механические характеристики конечного покрытия.

Наилучшие условия для создания пленки с минимумом воздушных пор — окраска изделий, нагретых до температуры выше температуры плавления ПК, и нанесение тонких слоев покрытия. В обычной практике слой порошковой краски наносят при нормальной температуре изделия.

При дальнейшем нагреве и прогреве изделия расплав ПК проникает в микронеровности поверхности, обеспечивая достаточную адгезию покрытия, и отверждается.

На этом этапе отверждения обеспечивается получение покрытия с заданными характеристиками: внешний вид (уровень глянца, структура), адгезия, механическая прочность, твердость, защитные свойства и др.

Очень важно понимать, что эти характеристики только тогда будут соответствовать заданным, когда режимы отверждения соответствуют рекомендуемым (нелишне еще раз напомнить, что температура отверждения — это температура на поверхности изделия при формировании покрытия). На практике при окраске массивных металлических деталей, температура поверхности которых поднимается значительно медленнее, чем у тонкостенных изделий и не соответствует показаниям прибора, замеряющего температуру в печи, покрытие не успевает полностью отвердиться, отчего снижаются механическая прочность пленки и адгезия. В этом случае применяют предварительный нагрев изделий или увеличивают время отверждения с учетом необходимости достижения поверхностью температуры отверждения.

Из предлагаемых фирмой-производителем ПК режимов отверждения лучше выбирать более “мягкий”, то есть производить отверждение при более низких температурах в течение более длительного времени. Такой режим уменьшает возможность получения таких дефектов, как шагрень, потеки и повышает механические свойства покрытия.

Аналогично приходится учитывать время прогрева, если при загрузке изделий в печь допускается значительное падение температуры, например из-за слишком большой суммарной массы подвесок с изделиями при малой мощности обогрева.

Наряду с массой изделий следует также учитывать физические свойства (теплопроводность, теплоемкость) материала, из которого изготовлена окрашиваемая деталь. В совокупности эти два свойства влияют на время получения необходимой температуры на поверхности изделия.

В процессе формирования пленки покрытия выявляются неоднородности нанесенного слоя ПК, обусловленные либо заданными заранее характеристиками (например, структура поверхности — "апельсиновая корка", "антик" и пр.), либо загрязнениями, внесенными при изготовлении ПК или на стадии нанесения (соринки, кратеры, проколы, крапинки другого цвета и т.п.).

Состояние поверхности и материала изделия также влияют на появление дефектов: остатки масляной пленки при плохом обезжиривании дают участки покрытия с плохой адгезией; остатки химикатов, плохо отмытые после подготовки поверхности, капельки влаги из воздуха или на поверхности, плохо высушенной после промывки, могут проявляться в виде проколов, местного изменения цвета; раковины в литых изделиях, глухие отверстия или глубокие щели в местах соединений отдельных частей изделия могут вызвать, при выходе из них нагревающегося воздуха или газов термодеструкции оставшегося от подготовки поверхности вещества, образование пузырей, мест с большим количеством пор, отслоений и т.п.

Места с недостаточным слоем нанесенной ПК проявляются в виде так нназываемого непрокраса.

При малой вязкости расплава ПК и недостаточно быстром отверждении пленки образуются потеки по нижней кромке окрашиваемой поверхности, у отверстий и выступов. При слишком высокой вязкости расплава, при размерах частиц, превышающих среднюю толщину образующейся пленки, при малой разнице температур плавления ПК и начала отверждения, при чрезмерной толщине слоя поверхность покрытия приобретает вид шагрени.

Кратеры образуются в местах включений с низким поверхностным натяжением расплава пленки, например, из-за попадания микро капель масла из сжатого воздуха или примеси другой, более легкоплавкой ПК и смолы в результате плохой зачистки установки нанесения и нарушений технологического процесса при изготовлении ПК.

В структурированные ПК, в "антики" специально вносятся распределенные по массе ПК добавки, создающие в период отверждении участки пленки с пониженным поверхностным натяжением.

После (утверждения изделие с еще горячей, иногда сохраняющей пластичность и липкость поверхности пленкой покрытия требует охлаждения для повышения твердости и во избежание повреждений при съеме с подвесок и упаковке. На конвеерных линиях нанесения с непрерывным движением изделий предусматриваются, как правило, участки охлаждения за счет удлинения конвейерной цепи после выхода из печи до места съема, или специальные камеры охлаждения, в ряде установок являющиеся частью печи отверждения.

Нужно иметь в виду, что до полного охлаждения изделия с покрытием последнее может быть повреждено при механическом воздействии или загрязнено при наличии в атмосфере помещения или охлаждающем воздухе пыли.

В принципе дать какие-либо всеобъемлющие рекомендации по формированию покрытия невозможно. В каждом конкретном случае необходимо подбирать режимы, учитывая вид ПК и окрашиваемого изделия, тип печи и ее эксплуатационные показатели.

Смотрите еще: дефекты покрытий и способы их устранения.