Порошковое покрытие — это тип покрытия, которое наносится в виде сыпучего сухого порошка . В отличие от обычной жидкой краски, которая доставляется с помощью испаряющегося растворителя, порошковое покрытие обычно наносится электростатически, а затем отверждается под воздействием тепла или ультрафиолетового света. Порошок может быть термопластичным или термореактивным полимером . Обычно его используют для создания толстого, прочного покрытия, которое более долговечно, чем обычная краска. [1] [2] Порошковое покрытие в основном используется для покрытия металлических предметов, особенно тех, которые подвергаются грубому использованию. Достижения в технологии порошковых покрытий, такие как порошковые покрытия, отверждаемые УФ-излучением, позволяют наносить порошковое покрытие на другие материалы, такие как пластик , композиты, углеродное волокно и древесноволокнистые плиты средней плотности (МДФ), поскольку для их обработки требуется небольшое количество тепла или времени выдержки в печи. [3]
Процесс порошкового покрытия был изобретен около 1945 года Дэниелом Гастином и получил патент США 2538562 в 1945 году. [4] Этот процесс покрывает объект электростатически, а затем отверждает его под воздействием тепла, создавая отделку, более твердую и прочную, чем обычная краска. Первоначально использовавшаяся на металлических изделиях, таких как бытовая техника , алюминиевые профили , барабанное оборудование , автомобильные детали и велосипедные рамы, практика порошкового покрытия была расширена, чтобы позволить отделку других материалов.
Поскольку порошковое покрытие не имеет жидкого носителя, оно может производить более толстые покрытия, чем обычные жидкие покрытия без потеков или наплывов, и порошковое покрытие создает минимальные различия во внешнем виде между горизонтально покрытыми поверхностями и вертикально покрытыми поверхностями. Кроме того, поскольку никакая жидкость-носитель не испаряется, процесс покрытия выделяет мало летучих органических соединений (ЛОС). Наконец, несколько порошковых цветов могут быть нанесены до того, как все они затвердеют вместе, что позволяет смешивать цвета и создавать специальные эффекты растекания в одном слое. [5]
В то время как относительно легко наносить толстые покрытия, которые отверждаются до гладкого покрытия без текстуры, наносить гладкие тонкие пленки не так просто. По мере уменьшения толщины пленки, она становится все более и более похожей на апельсиновую корку из-за размера частиц и температуры стеклования (Tg) порошка.
Большинство порошковых покрытий имеют размер частиц в диапазоне от 2 до 50 мкм, температуру размягчения Tg около 80 °C и температуру плавления около 150 °C и отверждаются при температуре около 200 °C в течение как минимум 10-15 минут (точные температуры и время могут зависеть от толщины покрываемого изделия). [6] Для таких порошковых покрытий может потребоваться наращивание пленки более 50 мкм для получения приемлемо гладкой пленки. Текстура поверхности, которая считается желательной или приемлемой, зависит от конечного продукта. Многие производители предпочитают иметь определенную степень апельсиновой корки, поскольку это помогает скрыть дефекты металла, возникшие во время производства, и полученное покрытие менее склонно к появлению отпечатков пальцев.
Существуют очень специализированные операции, которые наносят порошковые покрытия менее 30 мкм или с Tg ниже 40 °C для получения гладких тонких пленок. Один из вариантов процесса сухого порошкового покрытия, процесс Powder Slurry , сочетает преимущества порошковых покрытий и жидких покрытий путем диспергирования очень тонких порошков с размером частиц 1–5 мкм в воде, что затем позволяет производить очень гладкие покрытия с малой толщиной пленки.
Для мелкомасштабных работ распыление краски "погремушкой" менее затратно и сложно, чем порошковое покрытие. В профессиональном масштабе капитальные затраты и время, необходимые для пистолета для порошкового покрытия, камеры и печи, аналогичны затратам на систему распыления . Порошковые покрытия имеют важное преимущество в том, что излишки распыления можно перерабатывать. Однако, если в одной камере распыления распыляется несколько цветов , это может ограничить возможность переработки излишков распыления.
Существует три основные категории порошковых покрытий: термореактивные, термопластичные и порошковые покрытия, отверждаемые УФ- излучением. [11] В состав термореактивных порошковых покрытий входит сшивающий агент .
Наиболее распространенными сшивающими агентами являются твердые эпоксидные смолы в так называемых гибридных порошках в соотношении смешивания 50/50, 60/40 и 70/30 (полиэфирная смола/эпоксидная смола) для внутреннего применения и триглицидилизоцианурат (TGIC) в соотношении 93/7 и отвердитель β-гидроксиалкиламид (HAA) в соотношении 95/5 для наружного применения. Когда порошок запекается, он реагирует с другими химическими группами в порошке, полимеризуясь, что улучшает эксплуатационные свойства. Химическое сшивание для гибридов и порошков TGIC, представляющих большую часть мирового рынка порошковых покрытий, основано на реакции органических кислотных групп с эпоксидной функциональностью; эта карбокси-эпоксидная реакция тщательно исследована и хорошо понята, путем добавления катализаторов можно ускорить преобразование и запустить график отверждения по времени и/или температуре. В индустрии порошковых покрытий обычно используют каталитические суперконцентраты, в которых 10–15% активного ингредиента вводится в полиэфирную смолу-носитель в качестве матрицы. Такой подход обеспечивает наилучшую возможную равномерную дисперсию небольшого количества катализатора по всей массе порошка. Что касается сшивания альтернативы без ТГИЦ на основе отвердителей HAA, то известных катализаторов не существует. [ необходимо разъяснение ]
Для специальных применений, таких как покрытия рулонов или прозрачные покрытия, обычно используют глицидилэстеры в качестве отвердителя, их сшивание также основано на карбокси-эпоксидной химии. Другая химическая реакция используется в так называемых полиуретановых порошках, где связующая смола несет гидроксильные функциональные группы, которые реагируют с изоцианатными группами отвердителя. Изоцианатная группа обычно вводится в порошок в заблокированной форме, где изоцианатная функциональность предварительно реагирует с ε-капролактамом в качестве блокирующего агента или в форме уретдионов, при повышенных температурах (температура деблокирования) свободные изоцианатные группы высвобождаются и доступны для реакции сшивания с гидроксильной функциональностью.
В целом все термореактивные порошковые составы содержат рядом со связующей смолой и сшивающими добавками для поддержки текучести и выравнивания, а также для дегазации. Распространенным является использование промоутера текучести, где активный ингредиент — полиакрилат — абсорбируется на кремнеземе в качестве носителя или как мастербатч, диспергированный в полиэфирной смоле в качестве матрицы. Подавляющее большинство порошков содержат бензоин в качестве дегазирующего агента для предотвращения появления отверстий в конечной пленке порошкового покрытия. [12]
Термопластичная разновидность не подвергается никаким дополнительным воздействиям в процессе выпекания, поскольку она течет, образуя конечное покрытие. УФ-отверждаемые порошковые покрытия представляют собой фотополимеризующиеся материалы, содержащие химический фотоинициатор, который мгновенно реагирует на энергию УФ-излучения, инициируя реакцию, которая приводит к сшивке или отверждению. Отличительным фактором этого процесса от других является разделение стадии плавления перед стадией отверждения. УФ-отверждаемый порошок плавится за 60–120 секунд при достижении температуры 110 °C и 130 °C. Как только расплавленное покрытие попадает в это температурное окно, оно мгновенно отверждается при воздействии УФ-излучения. [13]
Наиболее распространенными полимерами являются полиэстер , полиуретан , полиэстер- эпоксидная смола (известная как гибридная), прямая эпоксидная смола ( сплавленная эпоксидная смола ) и акрилы. [ необходимо разъяснение ]
Процесс порошкового покрытия включает три основных этапа: подготовку детали или предварительную обработку, нанесение порошка и отверждение.
Удаление масла, грязи, смазок, оксидов металлов, сварочной окалины и т. д. необходимо перед процессом порошкового покрытия. Это можно сделать различными химическими и механическими методами. Выбор метода зависит от размера и материала детали, на которую наносится порошковое покрытие, типа удаляемых примесей и требований к эксплуатационным характеристикам готового изделия. Некоторые термочувствительные пластики и композиты имеют низкое поверхностное натяжение, и плазменная обработка может быть необходима для улучшения адгезии порошка.
Химическая предварительная обработка включает использование фосфатов или хроматов при погружении или распылении. Они часто происходят в несколько этапов и состоят из обезжиривания, травления, удаления сажи, различных промывок и окончательного фосфатирования или хромирования подложки и новой нанотехнологии химического связывания. Процесс предварительной обработки очищает и улучшает связь порошка с металлом. Недавно были разработаны дополнительные процессы, которые избегают использования хроматов, так как они могут быть токсичными для окружающей среды. Титан , цирконий и силаны обладают схожими характеристиками против коррозии и адгезии порошка.
Во многих высококлассных приложениях деталь покрывается электролитом после процесса предварительной обработки и после нанесения порошкового покрытия. Это особенно полезно в автомобильной промышленности и других приложениях, требующих высококлассных эксплуатационных характеристик.
Другой метод подготовки поверхности перед нанесением покрытия известен как абразивоструйная или пескоструйная и дробеструйная обработка. Абразивные материалы для струйной обработки и струйные абразивы используются для текстурирования и подготовки поверхности, травления, отделки и обезжиривания изделий из дерева, пластика или стекла. Наиболее важными свойствами, которые следует учитывать, являются химический состав и плотность; форма и размер частиц; и ударопрочность.
Пескоструйная среда из карбида кремния хрупкая, острая и подходит для шлифования металлов и неметаллических материалов с низкой прочностью на разрыв. Оборудование для струйной обработки пластиковыми средами использует пластиковые абразивы, которые чувствительны к таким подложкам, как алюминий, но все еще подходят для удаления покрытия и отделки поверхности. Пескоструйная среда использует высокочистые кристаллы с низким содержанием металла. Стеклянная дробеструйная среда содержит стеклянные шарики различных размеров.
Литая стальная дробь или стальная крошка используется для очистки и подготовки поверхности перед нанесением покрытия. Дробеструйная обработка перерабатывает среду и является экологически чистой. Этот метод подготовки очень эффективен для стальных деталей, таких как двутавровые балки, уголки, трубы, трубки и крупные сборные детали.
Различные применения порошкового покрытия могут потребовать альтернативных методов подготовки, таких как абразивная струйная обработка перед нанесением покрытия. Онлайн-рынок потребителей обычно предлагает услуги по струйной обработке в сочетании с их услугами по нанесению покрытий за дополнительную плату.
Недавней разработкой в области порошковых покрытий является использование плазменной предварительной обработки для термочувствительных пластиков и композитов. Эти материалы обычно имеют низкоэнергетические поверхности, являются гидрофобными и имеют низкую степень смачиваемости, что отрицательно влияет на адгезию покрытия. Плазменная обработка физически очищает, протравливает и обеспечивает химически активные связующие участки для закрепления покрытий. Результатом является гидрофильная, смачиваемая поверхность, которая поддается течению покрытия и адгезии. [14]
Наиболее распространенным способом нанесения порошкового покрытия на металлические предметы является распыление порошка с помощью электростатического пистолета или коронного пистолета. Пистолет придает порошку отрицательный заряд, который затем распыляется в направлении заземленного предмета с помощью механического или сжатого воздуха, а затем ускоряется в направлении заготовки с помощью мощного электростатического заряда. Существует широкий выбор распылительных форсунок, доступных для использования при электростатическом покрытии . Тип используемой форсунки будет зависеть от формы окрашиваемой детали и консистенции краски. Затем предмет нагревается, и порошок расплавляется в однородную пленку, а затем охлаждается, образуя твердое покрытие. Также обычно сначала нагревают металл, а затем распыляют порошок на горячую подложку. Предварительный нагрев может помочь добиться более однородной отделки, но также может создать другие проблемы, такие как потеки, вызванные избытком порошка.
Другой тип пистолета называется трибопушкой , которая заряжает порошок трибоэлектриком . В этом случае порошок получает положительный заряд, трется о стенку тефлоновой трубки внутри ствола пистолета. Затем эти заряженные частицы порошка прилипают к заземленной подложке. Использование трибопушки требует иной формулы порошка, чем более распространенные коронные пистолеты. Однако трибопушки не подвержены некоторым проблемам, связанным с коронными пистолетами, таким как обратная ионизация и эффект клетки Фарадея .
Порошок также можно наносить с помощью специально адаптированных электростатических дисков.
Другой метод нанесения порошкового покрытия, называемый методом псевдоожиженного слоя, заключается в нагревании подложки и последующем погружении ее в аэрированный, наполненный порошком слой. Порошок прилипает и плавится к горячему объекту. Для окончательного отверждения покрытия обычно требуется дополнительный нагрев. Этот метод обычно используется, когда желаемая толщина покрытия должна превышать 300 микрометров. Именно так покрывают большинство полок посудомоечных машин.
Электростатическое нанесение в псевдоожиженном слое использует ту же технику псевдоожижения, что и обычный процесс погружения в псевдоожиженный слой, но с гораздо большей глубиной порошка в слое. Электростатическая заряжающая среда помещается внутрь слоя, так что порошковый материал заряжается, когда псевдоожижающий воздух поднимает его. Заряженные частицы порошка движутся вверх и образуют облако заряженного порошка над псевдоожиженным слоем. Когда заземленная деталь проходит через заряженное облако, частицы будут притягиваться к ее поверхности. Детали не нагреваются предварительно, как в обычном процессе погружения в псевдоожиженный слой.
Метод покрытия плоских материалов, при котором порошок наносится валиком, что обеспечивает относительно высокую скорость и точную толщину слоя от 5 до 100 микрометров. Основой этого процесса является традиционная копировальная технология. В настоящее время он используется в некоторых областях применения покрытий и выглядит многообещающим для коммерческого порошкового покрытия плоских подложек (сталь, алюминий, МДФ, бумага, картон), а также в процессах лист-лист и/или рулон-рулон. Этот процесс потенциально может быть интегрирован в существующую линию покрытия.
Когда термореактивный порошок подвергается воздействию повышенной температуры, он начинает плавиться, вытекать, а затем химически реагирует, образуя полимер с более высокой молекулярной массой в сетчатой структуре. Этот процесс отверждения, называемый сшиванием, требует определенной температуры в течение определенного периода времени для достижения полного отверждения и установления свойств полной пленки, для которых был разработан материал.
Архитектура полиэфирной смолы и тип отвердителя оказывают большое влияние на сшивание.
Обычные порошки отверждаются при температуре объекта 200 °C (392 °F) в течение 10 минут. На европейских и азиатских рынках график отверждения 180 °C (356 °F) в течение 10 минут был промышленным стандартом на протяжении десятилетий, но в настоящее время смещается в сторону уровня температуры 160 °C (320 °F) при том же времени отверждения. Передовые гибридные системы для внутреннего применения созданы для отверждения при температуре 125–130 °C (257–266 °F), предпочтительно для применения на древесноволокнистых плитах средней плотности (MDF); прочные порошки для наружного применения с триглицидилизоциануратом (TGIC) в качестве отвердителя могут работать при аналогичном уровне температуры, тогда как системы без TGIC с β-гидроксиалкиламидами в качестве отвердителей ограничены примерно 160 °C (320 °F).
Подход к низкотемпературной сушке приводит к экономии энергии, особенно в случаях, когда покрытие массивных деталей является задачей операции покрытия. Общее время пребывания в печи должно быть всего 18–19 минут для полного отверждения реактивного порошка при 180 °C (356 °F). [15]
Основной проблемой для всех низкотемпературных отверждений является оптимизация одновременно реактивности, вытекания (аспект порошковой пленки) и стабильности при хранении. Порошки с низкотемпературным отверждением, как правило, имеют меньшую цветовую стабильность, чем их стандартные аналоги, поскольку они содержат катализаторы для усиления ускоренного отверждения. Полиэфиры HAA имеют тенденцию перепекаться пожелтение больше, чем полиэфиры TGIC. [16]
График отверждения может варьироваться в зависимости от спецификаций производителя. Приложение энергии к отверждаемому продукту может осуществляться с помощью конвекционных печей отверждения, инфракрасных печей отверждения или лазерного процесса отверждения. Последний демонстрирует значительное сокращение времени отверждения.
Порошковые покрытия, отверждаемые ультрафиолетом (УФ), используются в коммерческих целях с 1990-х годов и изначально были разработаны для отделки термочувствительных компонентов мебели из древесноволокнистых плит средней плотности (МДФ). Эта технология покрытия требует меньше тепловой энергии и отверждается значительно быстрее, чем термически отверждаемые порошковые покрытия. Типичное время выдержки в печи для порошковых покрытий, отверждаемых УФ-излучением, составляет 1–2 минуты, а температура покрытия достигает 110–130 °C. Использование систем отверждения УФ-светодиодами, которые являются высокоэнергоэффективными и не генерируют ИК-энергию от головки лампы, делает порошковые покрытия, отверждаемые УФ-излучением, еще более желательными для отделки различных термочувствительных материалов и узлов. Дополнительным преимуществом порошковых покрытий, отверждаемых УФ-излучением, является то, что весь цикл процесса, от нанесения до отверждения, происходит быстрее, чем при использовании других методов нанесения покрытий. [3]
Метиленхлорид и ацетон, как правило, эффективны для удаления порошкового покрытия. Большинство других органических растворителей (разбавителей и т. д.) совершенно неэффективны. В последнее время предполагаемый канцероген для человека метиленхлорид с большим успехом заменяют бензиловым спиртом . Порошковое покрытие также можно удалить абразивоструйной обработкой . 98%-ная серная кислота коммерческого класса также удаляет пленку порошкового покрытия. [ требуется цитата ] Некоторые низкосортные порошковые покрытия можно удалить стальной ватой, хотя это может быть более трудоемким процессом, чем хотелось бы.
Порошковое покрытие также можно удалить методом выжигания, при котором детали помещаются в большую высокотемпературную печь, температура в которой обычно достигает температуры воздуха 300–450 °C. Процесс занимает около четырех часов и требует полной очистки деталей и повторного нанесения порошкового покрытия. Детали, изготовленные из более тонкого материала, необходимо выжигать при более низкой температуре, чтобы предотвратить деформацию материала.
Согласно отчету о рынке, подготовленному в августе 2016 года компанией Grand View Research, Inc., отрасль порошковых покрытий включает тефлон, анодирование и гальванопокрытие. Ожидается, что мировой рынок порошковых покрытий достигнет 16,55 млрд долларов США к 2024 году. Увеличение использования порошковых покрытий для алюминиевой экструзии, используемой в окнах, дверных рамах, фасадах зданий, кухнях, ванных комнатах и электроприборах, будет способствовать расширению отрасли. Рост расходов на строительство в различных странах, включая Китай, США, Мексику, Катар, ОАЭ, Индию, Вьетнам и Сингапур, будет способствовать росту в течение прогнозируемого периода. Увеличение государственной поддержки экологически чистых и экономичных продуктов будет стимулировать спрос в течение прогнозируемого периода. Общие отрасли промышленности были основным сегментом применения и составили 20,7% от мирового объема в 2015 году. Прогнозируется, что к 2027 году мировой рынок составит 20 млрд долларов. [17]
Ожидается, что растущий спрос на тракторы в США, Бразилии, Японии, Индии и Китае увеличит использование порошковых покрытий из-за их защиты от коррозии, превосходной стойкости к внешним воздействиям и высокотемпературных характеристик. Более того, растущее использование в сельскохозяйственном оборудовании, тренажерах, ящиках для файлов, компьютерных шкафах, ноутбуках, сотовых телефонах и электронных компонентах будет способствовать расширению отрасли. [18]
