Порошковая краска: состав, производство и технология нанесения

Истоки порошковой окраски

Технология порошкового окрашивания берет свое начало в конце 1940-х годов, а основной прорыв в этой области был совершен Эрвином Хеммером в середине 1950-х годов. Первый патент был подан в Германии (1953 год), а основной патент был выдан в сентябре 1955 года. До появления порошковых красок использовалось электростатическое распыление. Наносимая жидкая краска заряжалась статическим электричеством, притягивалась к заземленному объекту и наносилась методом распыления. Это более эффективный метод окраски, позволяющий более рационально использовать материалы. Электростатические распылители для жидких красок были также применены для распыления недавно разработанных порошковых красок.

Сегодня порошковая окраска широко используется на заводах и специализированных предприятиях.

Состав порошковой краски

Порошковые краски состоят из полимерных смол, пигментов, выравнивающих агентов, регуляторов текучести, отвердителей (для термореактивных смол) и других добавок. Эти компоненты смешиваются, расплавляются и охлаждаются, после чего измельчаются в однородный порошок. Это и есть термопластичный или термореактивный полимер.

Каковы преимущества и недостатки порошкового покрытия?

Порошковая окраска имеет уникальные преимущества и недостатки:

• Порошковым краскам не свойственны дефекты, присущие жидким краскам (например, разводы и подтеки). Порошковые краски могут создавать гораздо более толстую пленку, чем обычные покрытия, без провисаний и провалов.
• Не содержат растворителей – это означает отсутствие летучих органических соединений (ЛОС), которые токсичны для маляра и вредны для окружающей среды.
• С помощью порошковых красок легко достигаются различные специальные текстурные эффекты.
• Время отверждения порошковых красок значительно быстрее, чем жидких.
• За один проход можно нанести 60-80 микрон. Это эквивалентно трем распылениям жидкости.
• Порошковые краски обладают лучшими эксплуатационными характеристиками по сравнению с обычными покрытиями. Они более устойчивы к сколам, царапинам и другим видам износа. Помимо физической прочности, порошковое покрытие отлично сохраняет цвет.
• Порошковые составы имеют гораздо более высокий коэффициент переноса при распылении. Обычные краски теряют 30-70 % при перераспылении, в то время как порошковые краски теряют менее 5 %. Порошки можно собирать и использовать повторно. Однако эта возможность ограничена, если в одной камере распыляется несколько цветов.
• Порошковая окраска не требует высоких навыков и может быть выполнена практически любым человеком.

Недостатки.

• У порошковой окраски много преимуществ, но когда дело доходит до смешивания цветов, она уступает жидким краскам. Цвета различных жидких красок могут быть смешаны легко и с высокой степенью точности практически любым подрядчиком. Например, синий и красный пигменты можно смешать, чтобы получить фиолетовую краску. Порошковые краски требуют особых методов производства. Поскольку они не содержат растворителей, попытки смешать синий и красный порошок приведут лишь к появлению крапинок синего и красного цвета. Порошковая краска обычно производится в больших количествах в стандартных цветах. Возможны эксклюзивные заказы, но они более трудоемки и дороги, чем производство множества нестандартных цветов стандартными красками.
• Технически возможно добиться высокого глянца с помощью порошковой краски, но гораздо проще это сделать с помощью жидкой краски.
• При порошковом окрашивании сложнее добиться идеально гладкой поверхности.

Долговечность порошкового покрытия

Порошковая краска долговечна, так как при нагревании в печи образуется твердая полимерная пленка. Различные составы имеют разную устойчивость к атмосферным воздействиям, ультрафиолетовому излучению, химическому воздействию и физическому износу. Порошковые краски могут служить 15-20 лет, в зависимости от качества предварительной обработки и типа изделия. Следует понимать, что порошковая краска не является чудодейственным решением типичных проблем с покрытием. На него также влияет ультрафиолетовое излучение и разрушительные факторы окружающей среды.

Термопластичные и термореактивные порошки

Существует три основные категории порошковых красок: термореактивные, термопластичные и УФ-отверждаемые. В состав термореактивных порошковых красок входит отвердитель. При нагревании происходят реакции между химическими группами, в результате чего порошок растекается и полимеризуется; УФ-порошковые краски – это фотополимеризуемые материалы, содержащие химические фотоинициаторы, которые мгновенно реагируют на энергию ультрафиолетового света и запускают реакцию, приводящую к сшиванию или отверждению. Отличие этого процесса от других заключается в разделении фазы плавления перед отверждением: УФ-отверждаемые порошки плавятся за 60-120 секунд при достижении температуры 110°C/130°C. Затем они мгновенно отверждаются при облучении ультрафиолетовым светом.

В большинстве случаев используются порошки термореактивного типа. Термореактивные порошки предназначены для отверждения при однократном нагревании. При охлаждении в них происходят химические изменения, и они затвердевают. Термореактивные полимеры более устойчивы к воздействию химикатов, тепла и ударов.

Основными смолами, используемыми в термореактивных порошковых красках, являются эпоксидные смолы, полиэфиры, смеси (гибриды) полиэфиров и эпоксидных смол, акрилы и полиуретаны. Термореактивные порошковые краски можно наносить в один слой без грунтовки.

Большинство термопластичных порошковых красок требуют грунтовки для достижения хорошей адгезии.

Основные типы термопластичных порошков основаны на пластифицированном поливинилхлориде (ПВХ), полиамидах и пластмассах. Термопластики используются для окраски проводов и ограждений, а также для непрерывной порошковой окраски на высокоскоростных линиях. Большинство порошковых красок из ПВХ наносятся методом псевдоожиженного слоя. Они более мягкие и гибкие, чем любые другие порошковые покрытия.

Существует множество различных типов порошка. Каждый из них имеет свои характеристики и применение.

• Эпоксидная смола была первым широко используемым порошком. Эпоксидные смолы очень прочны, обладают превосходной твердостью и, вероятно, лучшей химической и коррозионной стойкостью. Эпоксидные смолы обладают очень хорошей адгезией к металлам и могут использоваться с различными видами предварительной обработки металла для обеспечения отличной адгезии. Недостатком эпоксидных смол является их плохая устойчивость к атмосферным воздействиям. Их лучше использовать внутри помещений.
• Полиэстер – наиболее часто используемый порошок. Он предлагает отличный баланс между ценой и качеством. Он обладает высокой механической прочностью, гибкостью, ударопрочностью и химической стойкостью. Одно из преимуществ полиэстера – низкая температура отверждения, что позволяет использовать его на термочувствительных объектах. Полиэстер также устойчив к пожелтению. Полиэстер предлагает множество вариантов цвета, блеска и специальных эффектов. Полиэстер является распространенным выбором для многих областей применения.
• Сверхпрочный полиэстер быстро стал лучшей альтернативой традиционному полиэстеру. Как следует из названия, он обладает высокой прочностью.
• Эпоксидно-полиэфирные гибриды Гибриды представляют собой смесь эпоксидной смолы и полиэфира. Эти гибриды по составу похожи на чистую эпоксидную смолу, но обладают отличной атмосферостойкостью. Эти гибриды могут быть изготовлены в различных соотношениях, чтобы подчеркнуть свойства эпоксидной смолы или полиэфира. Гибриды часто используются для покрытия таких приборов, как рисоварки, стиральные машины и сушилки.
• Уретаны химически похожи на полиэфиры, но имеют разные отвердители. Уретаны имеют очень гладкую пленку, очень долговечны и обладают отличной химической и коррозионной стойкостью, что делает их идеальными для топливных баков. Другие распространенные области применения – сельскохозяйственная техника, кондиционеры, автомобильные диски и дверные ручки. Уретан также имеет тенденцию быть более дорогим, чем другие типы порошка, из-за стоимости смолы.

Стандартные и сверхвысокопрочные полиэфиры чаще всего используются для порошковой окраски автомобильных деталей.

Методы порошковой окраски

Существует четыре основных метода порошковой окраски. Рассмотрим их по порядку.

• Самый распространенный метод порошковой окраски металлов – использование электростатического коронного пистолета. Сжатый воздух и высоковольтный электрод используются для зарядки порошка на выходе. Объект, на который наносится покрытие, заземляется, притягивая частицы порошка. Электрод пистолета обычно имеет отрицательную полярность по отношению к компоненту. Для нейлоновых порошков, которые требуют положительного заряда, полярность должна быть обратной. Недостатком электростатического покрытия с помощью коронного пистолета является высокое напряжение между пистолетом и окрашиваемой деталью. Детали с углублениями трудно окрашивать из-за эффекта клетки Фарадея.
• Трибозарядка – второй по распространенности метод порошковой окраски. Как и в случае с коронными пистолетами, порошок перемещается сжатым воздухом, но при трибозарядке частицы порошка находятся в фрикционном контакте с внутренней поверхностью пистолета. Электроны отделяются от положительно заряженных частиц порошка и притягиваются к подложке. Поскольку между пистолетом и объектом покрытия нет электростатического поля, не возникает эффекта клетки Фарадея, и частицы легче проникают в углубления объекта покрытия. Эта технология используется реже, чем системы распыления с помощью коронной пушки. Кроме того, только некоторые порошковые композиции успешно заряжаются этим методом. Оборудование Tribo не требует источника высокого напряжения.
• Нанесение порошковых покрытий методом псевдоожиженного слоя. Этот метод используется, когда требуются толстые функциональные покрытия (защита от коррозии, долговечность). Порошок помещается в бункер с пористой пластиной на дне и “псевдоожижается” (взвешивается). Через него проходит воздух, и он начинает двигаться как жидкость. Окрашиваемые детали предварительно нагревают и бросают в псевдоожиженный (взвешенный) порошок, который под воздействием тепла мгновенно расплавляется и распределяется по поверхности окрашиваемого объекта. Чаще всего таким образом окрашивают термопластичные порошки, но можно использовать и эпоксидные порошки.
• Электростатическое покрытие в псевдоожиженном слое. Этот метод обычно используется, когда требуемая толщина слоя превышает 300 микрон. Псевдоожиженный порошок аэрозолируется и заряжается, создавая облако заряженных частиц. Заземленный объект опускается в это облако, и заряженный порошок прилипает к его поверхности. Вращение детали позволяет нанести порошок более равномерно. Этим методом наносятся как термопластичные, так и термореактивные смолы.
• Газопламенное напыление. Термопластичный порошок распыляется на пламя газовой горелки вместе со сжатым воздухом. Он расплавляется и наносится на изделие. Оборудование состоит из газовой горелки, питателя, инжектора, компрессора и газового баллона. Преимущество этого метода в том, что вся система порошковой окраски мобильна, поэтому можно легко окрашивать даже крупные объекты. Поскольку на порошковую окраску не влияют температура и влажность, ее можно проводить независимо от погодных условий.

Электростатические пистолеты для порошковой окраски

Как уже упоминалось выше, системы порошковой окраски можно условно разделить на коронные и трибоэлектрические электростатические пистолеты. Каждая система имеет свои преимущества и недостатки.

Как правило, в коронных пистолетах используется отрицательная полярность, при которой образуется больше ионов и меньше дуги, чем при положительной полярности. Положительная полярность может использоваться при распылении нейлона. Для создания заряда пистолет снабжается внешним или внутренним источником питания.

Схема коронного электростатического пистолета

Основное отличие заключается в способе транспортировки порошка от пистолета к заготовке. При использовании оборудования коронного типа основной силой для транспортировки материала (помимо сжатого воздуха) является электрическое поле, создаваемое между заряженным порошковым облаком и заготовкой. В пистолетах трибо-типа материал перемещается только потоком воздуха. Воздух под давлением поступает в резервуар и перемешивает порошок, заставляя его “течь” во взвешенном состоянии, как жидкость. Затем он проходит через пистолет.

Еще одно принципиальное различие между системами порошковой окраски с коронным и трибозарядным зарядом заключается в способе заряда частиц порошка. В системах коронного типа для зарядки деталей используется высоковольтный генератор, который подводит к ним высокопотенциальный электрод. Заряженные электроды создают поток заряженных частиц, эффективно заряжая облако порошка и формируя заряженное электрическое поле с противоэлектродом.

Схема работы трибостатического пистолета

В отличие от них, трибостатические устройства заряжают порошок исключительно за счет физического контакта (быстрого трения между поверхностями, способными передавать или принимать электроны).

Триботехнология идеальна в следующих случаях

• Изделие изготовлено из материала с низкой проводимостью заряда.
• В геометрии изделия есть участки с эффектом клетки Фарадея (углубления).
• Требуется тонкое порошковое покрытие.
• Изделия, требующие максимальной степени равномерности покрытия
• Требуется нанесение грунтового покрытия.

Коронная технология идеально подходит для:

• Изделия из высокозаряженных проводящих материалов
• При использовании порошков с металлическим эффектом
• При необходимости нанесения относительно толстых порошковых покрытий
• При необходимости нанесения покрытий нестандартных цветов.

Конструкция сопла

Конструкция пистолета и сопла оказывает значительное влияние на характеристики краски. Наиболее широко используются два сопла: дефлекторное и плоское. Оба сопла могут иметь различную форму. Плоские форсунки обладают высокой направленностью и четко выраженной формой распыления. Дефлекторные форсунки имеют более мягкую, хорошо рассеивающую форму. Существуют и другие типы форсунок, но они менее распространены.

Заземление

Электростатическая покраска – это процесс зарядки самой краски статическим зарядом. Цель – притянуть заряженную краску к окрашиваемому объекту, тем самым повысив эффективность переноса. Однако, когда краска заряжается, важно убедиться, что все в системе окраски заземлено, чтобы избежать поражения электрическим током и снижения эффективности переноса.

Заземление обеспечивает прямой электрический путь от изделия к истинному заземлению.

Ниже перечислены основные зоны, которые необходимо заземлить во время электростатической покраски

• Оператор. Одной из точек контакта с землей являются ноги оператора. Если оператор не заземлен должным образом, краска может обволакивать оператора вместо того, чтобы притягиваться к цели. Чтобы избежать изоляции, не надевайте изолированную или резиновую обувь. Рекомендуется использовать обувь с кожаной подошвой. Убедитесь, что пол чистый и сухой.
• Изделие. Изделие обычно подвешивается на крючок. Всегда держите крюки чистыми и заземленными.
• Используйте специальный заземленный воздушный шланг.
• Источник краски.
• Все другие токопроводящие предметы и оборудование в зоне распыления должны быть надлежащим образом заземлены. Помните, что правильное заземление обеспечивает безопасность и хорошую эффективность покраски.

Большинство проблем, возникающих при порошковой окраске, вызвано плохо заземленными или незаземленными объектами, подлежащими окраске. Причины следующие.

• Неравномерность красочного слоя
• Чрезмерный расход краски.
• Чрезмерное накопление порошка на оборудовании. Порошок ищет ближайший заземленный объект и притягивается к нему (стены камеры, оборудование, пол).
• Необходимо постоянно регулировать технические параметры.
• Заряженные частицы не могут эффективно притягиваться, и слой становится слишком тонким.

В целях безопасности сопротивление заземления должно быть менее 1 МОм.

Заземление с помощью стержней

Заземление также может осуществляться с помощью заземляющих стержней (штырей). Это длинные омедненные стержни, которые вбиваются в землю. Размеры могут быть разными, но для порошковой окраски рекомендуется минимальная длина 240 см и диаметр 2 см.

Заземляющий стержень вбивается в землю почти полностью. Он должен выступать из земли на 15 см, чтобы можно было закрепить провод. Другой конец провода заземления должен быть подсоединен к изделию либо напрямую, либо с помощью стойки или крюка.

Заземляющий стержень можно закрепить на полу как можно ближе к месту покраски. Просто просверлите отверстие в полу и проложите заземляющий провод через пол рабочей зоны.