Порошковое покрытие - Википедия - Powder coating

Порошковое покрытие это тип покрытия, которое наносится как сыпучий, сухой пудра. В отличие от обычной жидкой краски, которая подается через испаряющийся растворитель, порошковое покрытие обычно наносится электростатически, а затем вылечил под действием тепла или ультрафиолета. Порошок может быть термопластом или термореактивным полимером. Обычно ее используют для создания твердого покрытия, более жесткого, чем обычная краска. Порошковая окраска в основном используется для покрытия металлы, Такие как бытовая техника, алюминий экструзии, барабан, автомобили, и велосипед кадры. Более продвинутые технологии позволяют использовать другие материалы, такие как пластмассы, композиты, углеродное волокно и МДФ (древесноволокнистая плита средней плотности ), чтобы покрыть порошковой краской различными методами, требующими меньше тепла и времени.^[1]

История и общее использование

Процесс порошкового покрытия был изобретен примерно в 1945 году Дэниелом Гастином и получил патент США 2538562 в 1945 году.^[2] В результате этого процесса на предмет электростатически наносится покрытие, которое затем отверждается под действием тепла. Отделка тверже и жестче, чем обычная краска. Этот процесс полезен для покрытий на металле, который используется во многих бытовых приборах, алюминиевых изделиях и автомобильных деталях.

Свойства порошкового покрытия

Велосипедные рамы и детали с порошковым покрытием

Поскольку порошковое покрытие не имеет жидкого носителя, оно может давать более толстые покрытия, чем обычные жидкие покрытия, без растекания или провисания, а порошковое покрытие создает минимальные различия внешнего вида между поверхностями с горизонтальным покрытием и поверхностями с вертикальным покрытием. Поскольку жидкость-носитель не испаряется, в процессе нанесения покрытия выделяется мало летучие органические соединения (ЛОС). Наконец, можно нанести несколько порошковых красок до их полного отверждения, что позволяет смешивать цвета и растекать специальные эффекты в одном слое.

В то время как относительно легко наносить толстые покрытия, которые при отверждении превращаются в гладкое покрытие без текстуры, не так просто наносить гладкие тонкие пленки. По мере уменьшения толщины пленки она становится все более и более апельсин очищенный по текстуре из-за размера частиц и температура стеклования (Tg) порошка.

Большинство порошковых покрытий имеют размер частиц от 2 до 50 мкм (микрон), температура размягчения Tg около 80 ° C, температура плавления около 150 ° C и отверждаются при температуре около 200 ° C. минимум от 10 до 15 минут (точная температура и время могут зависеть от толщины покрываемого предмета).^[3] Для таких порошковых покрытий может потребоваться нарост пленки более 50 мкм (микрон), чтобы получить достаточно гладкую пленку. Текстура поверхности, которую считают желательной или приемлемой, зависит от конечного продукта. Многие производители предпочитают иметь определенную степень апельсиновой корки, поскольку она помогает скрыть дефекты металла, возникшие во время производства, и на получающемся покрытии меньше видны отпечатки пальцев.

Алюминиевые профили с порошковым покрытием

Существуют очень специализированные операции, при которых порошковые покрытия толщиной менее 30 микрометров или с Tg ниже 40 ° C используются для получения гладких тонких пленок. Один из вариантов процесса нанесения сухого порошкового покрытия, Порошковая суспензия Процесс сочетает в себе преимущества порошковых покрытий и жидких покрытий за счет диспергирования очень мелких порошков размером 1–5 микрометров в воде, что затем позволяет получать очень гладкие покрытия с малой толщиной пленки.

Для гаражных работ небольшие аэрозольная краска "погремушка" дешевле и сложнее, чем порошковое покрытие. В профессиональном масштабе капитальные затраты и время, необходимые для нанесения порошкового покрытия, камеры и печи аналогичны пистолет-распылитель система. Порошковые покрытия имеют большое преимущество в том, что чрезмерное распыление могут быть переработаны. Однако, если распыление нескольких цветов производится в одном покрасочная камера, это может ограничить возможность повторного использования избыточного аэрозоля.

Преимущества перед другими способами нанесения покрытий

Порошковые покрытия не содержат растворители и выпустить мало или совсем не летучие органические соединения (VOC) в атмосферу. Таким образом, отделочникам не нужно покупать дорогостоящее оборудование для борьбы с загрязнением. Компании могут легче и экономичнее соблюдать правила Агентство по охране окружающей среды США.^[4]
Порошковые покрытия могут давать гораздо более толстые покрытия, чем обычные жидкие покрытия, без растекания или провисания.
Изделия с порошковым покрытием обычно имеют меньше различий по внешнему виду, чем изделия с жидким покрытием, между поверхностями с горизонтальным и вертикальным покрытием.
Широкий спектр специальных эффектов легко достигается с помощью порошковых покрытий, которые невозможно получить с помощью других процессов нанесения покрытий.^[5]
Время отверждения порошковых покрытий значительно меньше по сравнению с жидкими покрытиями, особенно при использовании порошковых покрытий, отверждаемых ультрафиолетом, или улучшенных термореактивных порошков с низкой температурой отверждения.[1]^[6]

Виды порошкового покрытия

Существует три основных категории порошковых покрытий: термореактивные, термопласты и порошковые покрытия, отверждаемые ультрафиолетом. В состав термоотверждаемых порошковых покрытий входит сшивающий агент.

Наиболее распространенными сшивающими агентами являются твердые эпоксидные смолы в так называемых гибридных порошках с соотношением компонентов 50/50, 60/40 и 70/30 (полиэфирная смола / эпоксидная смола) для внутреннего применения и триглицидилизоцианурат (TGIC) в соотношении 93/7 и β-гидроксиалкиламидный отвердитель (НАА) в соотношении 95/5 для наружного применения. Когда порошок спекается, он реагирует с другими химическими группами в порошке, полимеризуясь, улучшая эксплуатационные свойства. Химическое сшивание гибридов и порошков TGIC, представляющих основную часть мирового рынка порошковых покрытий, основано на реакции групп органических кислот с функциональными группами эпоксидных смол; эта карбокси-эпоксидная реакция тщательно исследована и хорошо изучена, добавлением катализаторов можно ускорить превращение и включить режим отверждения по времени и / или температуре. В индустрии порошковых покрытий обычно используют маточные смеси катализаторов, в которых 10-15% активного ингредиента вводят в полиэфирную смолу-носитель в качестве матрицы. Такой подход обеспечивает максимально возможное равномерное диспергирование небольшого количества катализатора по всей массе порошка.

Что касается сшивания альтернативы без TGIC на основе отвердителей HAA, то катализатор неизвестен.

Для специальных применений, таких как рулонные покрытия или прозрачные покрытия, обычно используют сложные глицидиловые эфиры в качестве компонента отвердителя, их сшивание также основано на химии карбокси-эпоксидной смолы. Другая химическая реакция используется в так называемых полиуретановых порошках, где связующая смола несет гидроксильные функциональные группы, которые реагируют с изоцианатными группами компонента отвердителя. Изоцианатная группа обычно вводится в порошок в блокированной 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 реакция сшивки с гидроксильной функциональностью.

В общем, все составы термореактивных порошков помимо связующей смолы и сшивающего агента содержат добавки для поддержки вытекания и выравнивания, а также для дегазации. Распространенным является использование промотора текучести, когда активный ингредиент - полиакрилат - абсорбируется на диоксиде кремния в качестве носителя или в виде маточной смеси, диспергированной в полиэфирной смоле в качестве матрицы. Подавляющее большинство порошков содержат бензоин в качестве дегазатора, чтобы избежать образования пор в окончательной пленке порошкового покрытия.

Термопласт не подвергается никаким дополнительным воздействиям в процессе выпечки, поскольку он течет, образуя окончательное покрытие. УФ-отверждаемые порошковые покрытия представляют собой фотополимеризуемые материалы, содержащие химический фотоинициатор, который мгновенно реагирует на энергию УФ-излучения, инициируя реакцию, которая приводит к сшиванию или отверждению. Отличительным фактором этого процесса от других является разделение стадии плавления перед стадией отверждения. Порошок, отвержденный УФ-излучением, расплавится за 60–120 секунд при достижении температуры 110–130 ° C. Как только расплавленное покрытие попадает в это температурное окно, оно мгновенно отверждается под воздействием УФ-излучения.^[7]

Наиболее часто используемые полимеры: полиэстер, полиуретан, полиэстерэпоксидная смола (известный как гибрид), прямой эпоксидная смола (эпоксидная смола, связанная плавлением ) и акрил^{[требуется разъяснение ]}

Производство

Полимерные гранулы смешиваются с отвердителем, пигментами и другими ингредиентами порошка в промышленный смеситель, например турбомиксер
Смесь нагревают в экструдере.
Экструдированную смесь раскатывают, охлаждают и разбивают на мелкую стружку.
Стружка измельчается и просеянный сделать мелкий порошок

Методология

Процесс порошкового покрытия включает три основных этапа: подготовка детали или предварительная обработка, нанесение порошка и отверждение.

Процессы и оборудование подготовки деталей

Перед нанесением порошкового покрытия необходимо удалить масло, грязь, консистентные смазки, оксиды металлов, окалину и т. Д. Это можно сделать различными химическими и механическими методами. Выбор метода зависит от размера и материала детали, подлежащей порошковому покрытию, типа удаляемых примесей и требований к характеристикам готового продукта. Некоторые термочувствительные пластмассы и композиты имеют низкое поверхностное натяжение и плазменная обработка может быть необходимо для улучшения адгезии порошка.

Химическая предварительная обработка включает использование фосфатов или хроматов при нанесении погружением или распылением. Они часто проходят в несколько этапов и состоят из обезжиривания, травления, удаления загрязнений, различных промывок и окончательной обработки. фосфатирование или же хроматирование субстрата и новой нанотехнологии химической связи. Процесс предварительной обработки очищает и улучшает сцепление порошка с металлом. Недавно были разработаны дополнительные способы, исключающие использование хроматов, поскольку они могут быть токсичными для окружающей среды. Титан цирконий и силаны предлагают аналогичные характеристики против коррозии и прилипания порошка.

Во многих высокотехнологичных областях применения на деталь наносится гальваническое покрытие после процесса предварительной обработки и после нанесения порошкового покрытия. Это было особенно полезно в автомобилестроении и других приложениях, требующих высоких эксплуатационных характеристик.

Другой метод подготовки поверхности перед нанесением покрытия известен как абразивоструйная очистка или пескоструйная обработка и дробеструйная обработка. Пескоструйные и абразивные материалы используются для текстурирования и подготовки поверхности, травления, отделки и обезжиривания изделий из дерева, пластика или стекла. Наиболее важные свойства, которые следует учитывать, - это 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 низким пределом прочности. В оборудовании для струйной обработки пластмасс используются пластиковые абразивные материалы, чувствительные к таким подложкам, как алюминий, но все же подходящие для снятия покрытий и отделки поверхностей. Среда для пескоструйной обработки использует кристаллы высокой чистоты с низким содержанием металлов. Среда для струйной обработки стеклянных шариков содержит стеклянные шарики различных размеров.

Литая стальная дробь или стальная крошка используются для очистки и подготовки поверхности перед нанесением покрытия. Дробеструйная очистка перерабатывает материалы и является экологически чистой. Этот метод подготовки очень эффективен для стальных деталей, таких как двутавровые балки, уголки, трубы, трубы и большие сборные детали.

Для различных применений порошкового покрытия могут потребоваться альтернативные методы подготовки, такие как абразивоструйная очистка перед нанесением покрытия. Потребительский онлайн-рынок обычно предлагает услуги струйной очистки в сочетании с услугами по нанесению покрытий за дополнительную плату.

Недавнее развитие отрасли порошковой окраски - использование предварительная обработка плазмой для термочувствительных пластиков и композитов. Эти материалы обычно имеют низкоэнергетические поверхности, гидрофобны и имеют низкую степень смачиваемости, что отрицательно влияет на адгезию покрытия. Плазменная обработка физически очищает, протравливает и обеспечивает химически активные участки связывания для закрепления покрытий. В результате получается гидрофильная, смачиваемая поверхность, которая поддается растеканию и адгезии покрытия.^[8]

Процессы нанесения порошка

Пример пистолета-распылителя порошкового покрытия

Наиболее распространенный способ нанесения порошкового покрытия на металлические предметы - это распыление порошка с помощью электростатического пистолета или корона пистолет. Пистолет передает отрицательный заряд порошку, который затем распыляется на заземленный объект путем механического распыления или распыления сжатого воздуха, а затем ускоряется по направлению к заготовке за счет мощного электростатического заряда. Существует широкий выбор форсунок для использования в электростатическое покрытие. Тип используемого сопла будет зависеть от формы окрашиваемой детали и консистенции краски. Затем объект нагревается, порошок плавится, образуя однородную пленку, а затем охлаждается до образования твердого покрытия. Также обычно сначала нагревают металл, а затем распыляют порошок на горячую основу. Предварительный нагрев может помочь добиться более однородной отделки, но может также создать другие проблемы, например, потеки из-за избытка порошка. См. Статью "Эпоксидные покрытия со связующим сплавлением "

Другой тип оружия называется трибо пистолет, который заряжает порох с помощью (трибоэлектрический ) трение. В этом случае порох набирает положительный заряд при трении о стенку тефлоновой трубки внутри ствола пистолета. Эти заряженные частицы порошка прилипают к заземленной подложке. Использование трибо-пистолета требует другого состава порошка, чем более распространенные коронные пистолеты. Однако трибо-пистолеты не имеют некоторых проблем, связанных с коронными пистолетами, таких как обратная ионизация и Клетка Фарадея эффект.

Порошок также можно наносить с помощью специально адаптированных электростатических дисков.

Другой метод нанесения порошкового покрытия, называемый методом псевдоожиженного слоя, заключается в нагревании подложки с последующим ее погружением в аэрированный, наполненный порошком слой. Порошок прилипает к горячему предмету и тает. Для завершения отверждения покрытия обычно требуется дополнительный нагрев. Этот метод обычно используется, когда желаемая толщина покрытия превышает 300 микрометров. Так покрывается большинство стоек для посудомоечных машин.

Электростатическое покрытие в псевдоожиженном слое

Применение электростатического псевдоожиженного слоя использует ту же технику псевдоожижения, что и традиционный процесс погружения в псевдоожиженный слой, но с гораздо большей глубиной порошка в слое. Электростатическая заряжающая среда помещается внутри слоя, так что порошковый материал становится заряженным, когда псевдоожижающий воздух поднимает его вверх. Заряженные частицы порошка движутся вверх и образуют облако заряженного порошка над псевдоожиженным слоем. Когда заземленная деталь проходит через заряженное облако, частицы притягиваются к его поверхности. Детали не нагреваются предварительно, как при обычном процессе погружения в псевдоожиженный слой.

Электростатическая магнитная щетка (EMB) покрытие

Метод покрытия плоских материалов, при котором порошок наносится валиком, что обеспечивает относительно высокие скорости и точную толщину слоя от 5 до 100 микрометров. Основа этого процесса - обычная. копировальный аппарат технологии. В настоящее время он используется для некоторых покрытий и выглядит многообещающим для промышленного порошкового покрытия на плоских подложках (сталь, алюминий, МДФ, бумага, картон), а также в процессах с листа на лист и / или с рулона на рулон. Этот процесс потенциально может быть интегрирован в существующую линию нанесения покрытий.

Лечение

Когда термореактивный порошок подвергается воздействию повышенной температуры, он начинает плавиться, вытекает, а затем химически реагирует с образованием более высокой молекулярной массы. полимер в сетевой структуре. Этот процесс отверждения, называемый сшивкой, требует определенной температуры в течение определенного периода времени, чтобы достичь полного отверждения и установить все свойства пленки, для которых материал был разработан.

Архитектура полиэфирной смолы и тип отвердителя имеют большое влияние на сшивание.

Обычные (обычно) порошки отверждаются при 200 ° C (390 ° F) / температуре объекта в течение 10 минут, на европейском и азиатском рынках график отверждения при 180 ° C (356 ° F) в течение 10 минут был промышленным стандартом на протяжении десятилетий. но в настоящее время смещается к уровню температуры 160 ° C (320 ° F) при том же времени отверждения. Усовершенствованные гибридные системы для внутреннего применения созданы для отверждения при температуре 125-130 ° C (257-266 ° F), предпочтительно для применения на древесноволокнистых плитах средней плотности (МДФ); Долговечные порошки для наружного применения с триглицидилизоциануратом (TGIC) в качестве отвердителя могут работать при аналогичном температурном уровне, тогда как системы без TGIC с β-гидроксиалкиламидами в качестве отвердителя ограничены прибл. 160 ° С (320 ° F).

Подход с низкой температурой спекания приводит к экономии энергии, особенно в тех случаях, когда покрытие массивных деталей является задачей операции нанесения покрытия. В качестве альтернативы смолы для порошковых покрытий с низкой степенью спекания позволяют создавать так называемые порошки быстрого отверждения, отверждаемые при 180 ° C (356 ° F) в течение 2 минут, обеспечивая повышенную производительность в качестве цели.

Основной задачей для всех систем с низким нагревом является одновременная оптимизация реакционной способности, вытекания (аспект порошковой пленки) и стабильности при хранении. Для применения в металлургической промышленности важно обеспечить подходящие характеристики для всех уровней блеска и всех цветов.

График отверждения может варьироваться в зависимости от технических характеристик производителя. Приложение энергии к отверждаемому продукту может быть выполнено с помощью конвекция сушильные печи, инфракрасный сушильные печи или процесс лазерного отверждения. Последнее демонстрирует значительное сокращение времени отверждения.

Порошковые покрытия, отвержденные ультрафиолетом (УФ), используются в коммерческих целях с 1990-х годов. Первоначально они были разработаны для отделки компонентов мебели из термочувствительного ДВП средней плотности (МДФ). Порошковые покрытия с УФ-отверждением потребляют меньше тепловой энергии и отверждаются значительно быстрее, чем порошковые покрытия с термическим отверждением. Использование УФ-светодиодных систем отверждения, которые обладают высокой энергоэффективностью и не генерируют инфракрасную энергию из головки лампы, делает порошковое покрытие с УФ-отверждением еще более желательным для отделки различных термочувствительных материалов и узлов. Дополнительным преимуществом порошковых покрытий, отверждаемых УФ-излучением, является то, что весь технологический цикл от нанесения до отверждения является исключительно быстрым.^[9]

TUV запрещает отверждение при любой температуре выше 90 ° C (194 ° F) при ремонте легкосплавных автомобильных колес, поскольку термообработка может вызвать нестабильную кристаллическую структуру металла.^[10] Это также может быть проблемой с другими компонентами из алюминиевого сплава, подверженными высоким нагрузкам, такими как баллоны для дайвинга.

Удаление порошкового покрытия

Метиленхлорид и ацетон обычно эффективны при удалении порошкового покрытия. Большинство других органических растворителей (разбавители и т. Д.) Совершенно неэффективны. Недавно предполагаемый канцероген для человека метиленхлорид был заменен на бензиловый спирт с большим успехом. Порошковое покрытие также можно удалить с помощью абразивоструйная очистка. Техническая серная кислота 98% также удаляет пленку порошкового покрытия.^{[нужна цитата ]} Некоторые покрытия из низкосортного порошка можно удалить с помощью стальной мочалки, хотя это может оказаться более трудоемким процессом, чем хотелось бы.

Порошковое покрытие также можно удалить путем обжига, при котором детали помещают в большую высокотемпературную печь с температурами, обычно достигающими температуры воздуха 300–450 ° C. Процесс занимает около четырех часов и требует полной очистки деталей и повторного нанесения порошкового покрытия. Детали, изготовленные из материала более тонкой толщины, необходимо обжечь при более низкой температуре, чтобы предотвратить деформацию материала.

Рынок

Согласно рыночному отчету, подготовленному в августе 2016 года компанией Grand View Research, Inc., индустрия порошковых покрытий включает тефлон, анодирование и гальваника. Ожидается, что к 2024 году мировой рынок порошковых покрытий достигнет 16,55 млрд долларов США. Расширение использования порошковых покрытий для экструзии алюминия, используемого в окнах, дверных рамах, фасадах зданий, кухнях, ванных комнатах и электрическом оборудовании, будет способствовать развитию отрасли. Рост расходов на строительство в различных странах, включая Китай, США, Мексику, Катар, ОАЭ, Индию, Вьетнам и Сингапур, будет способствовать росту в прогнозируемый период. Увеличение государственной поддержки экологически чистых и экономичных продуктов будет стимулировать спрос в прогнозируемом периоде. Основные отрасли промышленности были заметным прикладным сегментом и в 2015 году на них приходилось 20,7% мирового объема.

Ожидается, что растущий спрос на тракторы в США, Бразилии, Японии, Индии и Китае приведет к расширению использования порошковых покрытий благодаря их защите от коррозии, отличной долговечности на открытом воздухе и высокотемпературным характеристикам. Более того, растущее использование в сельскохозяйственном оборудовании, тренажерах, ящиках для файлов, компьютерных шкафах, портативных компьютерах, сотовых телефонах и электронных компонентах будет способствовать расширению отрасли.^[11]