Лако-красочные материалы — производство

Конвективный способ является наименее производительным, хотя и наиболее распространенным способом сушки. Его широ­кое применение объясняется универсальностью (пригоден для отверждения любых ЛКП на любых подложках), мягкостью и равномерностью нагрева, простотой конструкции и эксплуата­ции сушильных установок.

При конвективном способе нагревание слоя ЛКМ и изделия осуществляется за счет передачи тепла от окружающего воздуха или топочных газов. Тепло передается поверхности и постепенно распространяется внутрь пленки. Передача тепла от верхней зоны лакокрасочного слоя к нижней осуществляется только за счет теплопроводности материала, вследствие чего образующий­ся на, поверхности слой высыхающего материала замедляет диффузию и отвод растворителя из нижней зоны.

Из-за низкой теплопроводности газов (для воздуха при 100°С /г»0,028 Вт/(м-°С), т. е. в тысячи раз меньше, чем у ме­таллов) в конвективной передаче тепла покрытию принимают участие лишь слои, непосредственно контактирующие с издели­ем. Для улучшения теплопередачи в последнее время стали использовать высокотемпературные энергоносители с большими скоростями подачи, что обеспечивается устройствами, форші — рующими направленную струю энергоносителя, и специальными насадками, позволяющими периодически изменять направление воздушных потоков в рабочем объеме сушильной камеры. Ин­тенсификация процесса отверждения в этом случае происходит в результате повышения скорости нагрева, сокращения времени достижения равновесной температуры, инициирования переноса растворителя и побочных продуктов поликонденсации. При этом также ускоряются окислительные процессы вследствие размы­вания пограничного слоя и ускорения диффузии кислорода воздуха в пленку. Метод струйного обдува энергоносителем целесообразно применять после предварительного удаления растворителя в форкамере, что исключает образование дефек­тов и ухудшение качества покрытия.

Для сушки покрытий при небольших объемах в тупиковых камерах без дополнительного воздухообмена применяют аэро­динамический нагрев теплоносителя за счет его интенсивной циркуляции в замкнутом’ объеме с помощью вентиляторов спе­циальной конструкции.

Интенсификация процесса достигается также введением в энергоноситель паров катализаторов, в частности диметилэта­ноламина, при отверждении двухкомпонентных уретановых лакокрасочных материалов. Применяют также пары органоме­таллических соединений и четвертичные амины.

Терморадиационный способ отверждения основан на исполь­зовании лучистой энергии, испускаемой нагретыми телами, такими как лампы накаливания, металлические и керамические ■плиты, спирали, газовые горелки и др.

Терморадиационный способ отверждения имеет принципи­альные отличия от конвективного: при терморадиации сущест­венно ускоряется подвод тепла к изделию, в результате чего резко сокращается стадия подъема температуры окрашенного изделия; нагревание слоя ЛКМ осуществляется не снаружи, а изнутри, от подложки, что обеспечивает беспрепятственный вы­ход летучих. продуктов из пленки. Благодаря этому существенно ускоряется процесс формирования покрытий — при терморадиа­ционном нагреве время отверждения по сравнению с конвек­тивным способом сокращается в 2-f-10 раз.

В зависимости от вида поверхности и температуры нагрева спектральная характеристика излучения различных тел неоди­накова. Коротковолновое излучение с длиной волны А,=760—• 2500 нм считается «светлым». Такое излучение характерно для ламповых или «светлых» излучателей. Излучение с А,=3500— 4500 нм называют «темным». Источниками его являются тела с температурой нагрева до 750°С.

Степень восприятия ЛКП лучистой энергии с различной длиной волны неодинакова, соответственно различен и эффект ее действия при отверждении. Непигментированные жидкие ЛКМ, как и твердые покрытия в слоях до 50 мкм, достаточно проницаемы для ИК-лучей, при этом проницаемость уменьша­ется с увеличением длины волны. Оптические характеристики пигментированных покрытий, особенно1 отражательная способ­ность, могут изменяться в зависимости от вида пигмента. Это сказывается на скорости формирования покрытий при лучистом нагреве. Так как пленка поглощает и отражает только часть лучистой энергии, то остальная, большая ее доля попадает на подложку. Таким образом, изменяя спектральные характеристи­ки ИК-излучения и оптические свойства ЛКМ и подложки, мож­но вызывать предпочтительный нагрев пленки, подложки или пленки и подложки одновременно. В практических условиях реализуются второй и третий варианты.

Несмотря на то что ИК-лучи не инициируют химические реакции отверждения, наибольший эффект от их использования достигается при получении покрытий из термопревращаемых плепкообразователей; ИК-нагрев, как правило, не применяют для — быстросохнущих ЛКМ.

Терморадиационная сушка применяется как для грунтовок, так и для покрывных эмалей. В тех случаях, когда при повы­шенных температурах недопустимо меняется оттенок цвета по­крытия, возможность применения этого способа сушки сущест­венно снижается. Для изделий сложной конфигурации с экра­нированными участками поверхности рекомендуется терморадиационная сушка с принудительной циркуляцией воз­духа. Этот метод иногда называют терморадиационно-конвек — тивной сушкой.

В последние годы установлено влияние спектрального со­става излучения на свойства термоотверждаемых покрытий. Все большее распространение получают различные комбинации источников излучения с использованием конвективного энерго­подвода. Наиболее эффективными схемами облучения считают:

последовательное сочетание облучения средневолновым из­лучением и конвективного энергоподвода;

последовательное сочетание конвективного энергоподвода и коротковолнового излучения;

последовательное сочетание средневолнового и коротковол­нового термоизлучения.

Применение установок термоотверждения большей удельной МОЩНОСТИ является предпочтительным. В TOiM случае, если отсутствуют технологические ограничения по температурному режиму, применение установок, обеспечивающих более высокую температуру отверждения, оказывается существенно выгоднее экономически и значительно снижает энергопотребление. Рост удельной мощности облучательной установки в 2 раза приводит к снижению энергопотребления в 6—8 раз.

Индукционный способ сушки основан на нагреве окрашен­ного изделия, помещенного в переменное электромагнитное по­ле, вихревыми токами. Для отверждения покрытий применяют сушильные установки в виде металлических щитов или камер, в которых смонтированы кассеты е набором нагревательных элементов — индукторов. Индукторы состоят из магнитопрово — дов (набор изолированных друг от друга пластин листовой ста­ли) и обмотки из медной проволоки. При прохождении через обмотку переменного тока с частотой 50—800 Гц создается электромагнитное поле. Если на расстоянии 10—15 мм от ин­дуктора поместить окрашенное изделие, то оно будет нагревать­ся, передавая тепло покрытию. Нагрев можно производить с большой скоростью и практически до любой температуры.

Обычно отверждение покрытий проводят при 100—300°С. В этих условиях продолжительность отверждения алкидных по­крытий составляет 5—30 мин. По эффективности индукционный способ отверждения примерно одинаков с терморадиационным, однако имеет ограниченное применение вследствие сложности применяемого оборудования с низким КПД, ограничений в выбо­ре материала подложки, невозможности применения для обра­ботки изделий сложной формы и различных размеров.

Область применения способа — отверждение покрытий на стальной ленте, трубах, проволоке, обшивке цельнометалличес­ких вагонов, контейнерах.

Отверждение покрытий под действием УФ-излучения. Прин­цип отверждения основан на способности УФ-лучей иницииро­вать реакцию полимеризации ряда олигомерных материалов,, главным образом лаков, эмалей и шпатлевок на основе ненасы­щенных полиэфиров и полиакрилатов.

Процесс отверждения наиболее эффективно протекает при введении в ЛКМ фотоинициаторов полимеризации. Для поли­эфирных пленкообразователей фотоинициаторами служат бен — зофенон и его производные, простые эфиры бензоина, ацетофе­нон, бензальдегид. Оптимальная дозировка фотоинициаторов в зависимости от их фотохимической активности и толщины по­крытия составляет от 0,2 до 1,0% (масс.). Фотоинициирование полимеризации происходит в диапазоне длин волн от 200 до — 700 нм. Соответственно этому выбирают источники УФ-излуче — ния — ртутные, люминесцентные и ксеноновые лампы и кварце­вые излучатели. Предпочтительны источники с высокой эмисси­ей в диапазоне длин волн 300—400 нм и максимумом излучения в области 360—370 нм. Полиэфирные лаки в большинстве слу­чаев отверждают излучением от ламп двух типов — люминес­центных низкого давления и ртутных высокого давления. При использовании современных ртутных ламп высокого давления мощностью 80—120 Вт/см длины светящейся части продолжи­тельность отверждения покрытий составляет всего несколько секунд.

Этот способ отверждения перспективен, позволяет сущест­венно сократить энергопотребление, значительно интенсифици­ровать процесс и резко снизить загрязнение окружающей сре­ды. УФ-отверждение применяется при получении покрытий на плоских изделиях из древесины, бумаги, картона, металлах,, наиболее широко используется при конвейерной отделке щито­вой мебели. Продолжительность отверждения слоев шпатлевки не превышает 30 с, лаков и эмалей (при толщине слоя до* 0,5 мм) — 1,5-^2,0 мин. Это позволяет проводить отверждение при больших скоростях конвейера (10—50 м/мин). Эксплуата­ционные расходы на установках УФ-сушки в 1,5—2,0 раза меньше, чем на установках терморадиационного отверждения.

Радиационное отверждение покрытий считается одним из самых быстрых способов отверждения Л КП — время отвержде­ния составляет от долей — секунды до нескольких секунд.

Наибольшее применение получило отверждение ускоренны­ми электронами. Их получают с энергией 0,02—О1,2 ПДж на низкоэнергетических ускорителях прямого действия мощностью от 1 до 25 кВт типа «Электрон», «Аврора», «Ион», ЭУ-04, ЭОЛ.

Генерируемые этими ускорителями электроны обладают низкой проникающей способностью, поэтому их используют для отверждения покрытий толщиной не более 500 мкм, остаточной радиации при этом не наблюдается.

Радиационное отверждение применяется для материалов на основе пленкообразователей, способных к химическим превра­щениям за счет реакции полимеризации — ненасыщенных поли­эфиров, полиакрилатов, аллиловых мономеров и олигомеров. Предпочтительно применение материалов без растворителей. На радиационное отверждение покрытий влияют доза излуче­ния и ее мощность, природа подложки, характер окружающей газовой среды и др. Большинство покрытий удовлетворительно отверждается при дозах излучения 80—140 кГр и энергии элек­тронов 0,06—0,08 ПДж. Более высокие дозы излучения нежела­тельны во избежание деструктивных процессов.

При радиационном отверждении, как и при химическом, проявляется ингибирующее действие озона и кислорода возду­ха. Поверхностный слой имеет обычно более низкую степень отверждения, характеризуется меньшей твердостью, а иногда дает отлип. Для грунтовочных слоев это допустимо, а для верхних слоев этот недостаток устраняется применением плен­кообразователей, не подверженных ингибированию, и ведением процесса в инертной среде (азот, аргон, вакуум).

Максимальное расстояние между источником электронов и обрабатываемой поверхностью не должно превышать 10—15см. Радиационное отверждение находит применение при отделке щитовой мебели, печатных плат, облицовочных строительных плит, листового и рулонного металла, картона, плоских изде­лий из пластмасс. Отверждение проводят при скоростях движе­ния обрабатываемых изделий 104-60 м/мин. Электронное отверждение является рентабельным при объемах производства, превышающих 20000 м2 обрабатываемой поверхности в год. При этом в сравнении с терморадиационным отверждением энергозатраты могут быть сокращены в 6—9 раз, трудозатра­ты— в 6—14 раз, общая стоимость покрытий — в 2 раза.

5.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМОВ ГОРЯЧЕЙ СУШКИ

Режимы горячей сушки ЛКП на изделиях из черных и цветных металлов и их сплавов с толщиной стенок не более 15 мм оп­ределяют в соответствии с ГОСТ 9.405—83 «Метод определения режима горячей сушки».

Сущность метода заключается в определении режима сушки покрытия на образцах в лабораторных условиях и пересчете с помощью универсальной диаграммы на режим сушки покрытия изделия в производственных условиях.

Для проведения испытаний разрабатывают программу, в ко­торой указывают порядок проведения работ, предполагаемый диапазон температур и продолжительности сушки, материал образцов, их форму и размеры, способ подготовки поверхности, приборы и аппаратуру для оценки качества покрытий и др. Толщина образцов должна быть 0,8—1,0 мм. Технология полу­чения покрытия на образцах должна соответствовать техноло­гии получения покрытия на изделии.

Замер температуры производится термопарой. На образцы наносят ЛКМ, толщина покрытия должна быть равномерной и не отличаться от толщины покрытия изделия более чем на 10%. Окрашенные образцы до помещения их в сушильную установку выдерживают в условиях, соответствующих условиям выдержки окрашенного изделия.

Режим работы сушильной установки устанавливают в соот­ветствии с программой испытаний. Для определения коэффи­циента теплообмена сушильной установки образец нагревают в сушильной установке, фиксируя его температуру через опре­деленные промежутки времени до момента достижения им по­стоянной температуры.

Образцы сушат при пяти различных температурах с интер­валами 10—20 °С, начиная с минимальной,, и различной продол­жительности. За минимальную температуру сушки покрытия и максимальную продолжительность принимают температуру и продолжительность, установленные в стандартах или ТУ на ■испытуемый ЛКМ. После сушки образцы извлекают из сушиль­ной установки, выдерживают при температуре 20±2°С и отно­сительной влажности 65±5% в течение 3 ч, если в стацдартах или ТУ на ЛКМ не указано иначе, и проводят оценку качества покрытия.

Коэффициент теплообмена а, Вт/(м2-°С), при нагреве образ­ца (изделия) в сушильной установке вычисляют по формуле

а — Зср/<тт,

где 3 — безразмерный коэффициент; с—удельная теплоемкость материала образца (изделия), Дж/(кг-°С); р — плотность материала образца (изделия), кг/м3; о—отношение поверхности образца (изделия), участвующей в конвек­тивном теплообмене, к объему образца (изделия), м2/м3; т — продолжитель­ность нагрева образца (изделия) до постоянной температуры, с.

Оценку качества покрытия (твердость, адгезия, эластичность и др.) проводят в соответствии с требованиями стандартов на конкретный метод испытания.

За режим сушки образцов принимают температуру и продол­жительность, обеспечивающие получение заданного показателя качества покрытия.

Вычисляют значение обобщенного безразмерного коэффи­циента А, характеризующего условия сушки покрытия образца, по формуле

А — аот/ф,

где а — коэффициент теплообмена при нагреве образца, Вт/(м2-°С); о — от­ношение поверхности образца, участвующей в конвективном обмене, к объе­му образца, м2/м3; т — продолжительность сушки покрытия до заданной сте­пени высыхания, с; с—удельная теплоемкость материала образца, Дж/(кг-°С); р — плотность материала образца, кг/м3.

Вычисляют значение обобщенного безразмерного коэффи­циента А и характеризующего условия сушки покрытия изделия, по формуле

А1 = а1а1т1/ср,

где сц — коэффициент теплообмена при нагреве изделия, Вт/(м2-°С); си — отношение поверхности изделия, участвующей в конвективном обмене, к объему изделия, м2/м3; — продолжительность сушки покрытия изделия,

определяемая параметрами технологического оборудования, с; с — удельная теплоемкость материала изделия, Дж/(кг-°С); р — плотность материала из­делия, кг/м3.

Температуру сушки покрытия изделия определяют по уни­версальной диаграмме, приведенной на рис. 5.1.

Через точку Е, которая соответствует обобщенному безраз­мерному коэффициенту А, проводят прямую, параллельную оси ординат, до пересечения в точке В с кривой, соответствующей температуре, обеспечивающей необходимое качество.

Через точку В проводят прямую, параллельную оси абсцисс.

Через точку Еь которая соответствует безразмерному коэф­фициенту Ль восстанавливают перпендикуляр до пересечения с прямой, параллельной оси абсцисс в точке С.

Через точку С интерполируют кривую до пересечения с осью ординат (т. D).

Численное значение температуры, .полученное на оси орди­нат в точке D, уменьшают на значение поправки К, учитываю­щей неравномерность нагрева изделия, по толщине и значение поправки Къ учитывающей высыхание покрытия при остывании изделия после извлечения его из сушильной установки.

Значения поправочных коэффициентов приведены ниже: