Методы нанесения водоразбавляемых лакокрасочных материалов
С улучшением качества водоразбавляемых лакокрасочных материалов и расширением ассортимента совершенствовались существующие и создавались новые способы их нанесения. От ручных способов, таких как кистевой, валковый, тампонный, промышленность перешла к современным методам: пневматическому, электростатическому и безвоздушному распылению, струйному обливу, электроосаждению. При этом основное внимание уделялось автоматизации и механизации процессов нанесения с целью повышения качества покрытий, снижения потерь материалов и повышения производительности труда.
Материалы на основе водных дисперсий полимеров (латексы) можно наносить пневматическим и безвоздушным распылением, электрораспылением, струйным обливом и другими описанными выше способами. Однако для получения качественных покрытий в материалы такого типа необходимо вводить специальные добавки: загустители, позволяющие повысить вязкость материала; пеногасители для предотвращения пенообразования при пневматическом распылении и др.
| Способы нанесения жидких лакокрасочных материалов | |||||
| Ручные (с кистью, валками, тампонам, шпателем) | Валковый | Окунание | Обливание (струйное и наливными машинами) | Распыление (пневматическое, гидравлическое, аэрозольное, электростатическое) |
Электроосаждение |
Основными инструментами при ручном способе нанесения служат кисти различного размера и формы, изготовленные из разных материалов, валики разной конструкции; шпатели; тампоны.
Валковый способ
Валковый способ применяют в промышленности для непрерывного нанесения лакокрасочных материалов на листовую сталь, металлическую ленту, фанеру, картон и бумагу.
Сущность валкого способа нанесения заключается в распределении материала между валками и переносе определенной части материала на движущееся изделие.
Для этих целей применяют двух- и трехвалковые машины прямой и обратной ротации, которые различаются лишь направлением вращения наносящего материал валка относительно перемещения изделия. Преимуществом трехвалковой машины перед двухвалковой является возможность контроля величины зазора между валками или скорости валков и изделия, что позволяет регулировать толщину получаемого покрытия.
Настройка трехвалковой машины производится быстро и точно за счет обособленного расположения регулирующего валка.
Основным дефектом покрытий при нанесении материала валковым способом является неравномерность слоя по толщине, что обусловлено большими давлениями, возникающими в слое материала, проходящего через зазор валка и изделия.
Применение материалов с хорошим розливом, а также соответствующая регулировка соотношения скоростей наносящего валка и изделия дают возможность получать равномерные по толщине покрытия.
Окунание
Принцип нанесения лакокрасочных материалов окунания основан на смачивании поверхности изделия жидкостью и установлении адгезионного контакта между ними; одновременно происходит адсорбционное взаимодействие жидкого материала с твердой поверхностью изделия.
Преимущество способа окунания перед другими методами нанесения заключается в простоте оборудования и высокой его производительности.
Этот способ нашел широкое применение в промышленности для грунтования мелких и средних изделий, а также деталей, изготовленных литьем. Рекомендуемая вязкость ВД ЛКМ 16-20с по ВЗД 246 с диаметром сопла 4мм.
Обливание
Способ обливания аналогичен способу окунания. Применяют два способа обливания: простой и сложный. При первом способе материал наносят на изделие из сопел обливающего устройства. При этом слой жидкого материала, подаваемого на единицу поверхности изделия, превышает предельную толщину, при которой жидкость может удерживаться на вертикальной поверхности изделия за счет сил адгезии и внутреннего трения. Это приводит к тому, что избыток жидкости, стекая, остается на изделии в виде «подтеков», образуя неравномерный по толщине слой, а на кромках и в нижней части изделия образуется «натеки» в виде не оторвавшихся капель.
Этот способ применяется в основном для нанесения грунтовок при массовом производстве. В случае нанесения покровных слоев лаков и эмалей, получаемые покрытия по внешнему виду могут быть отнесены не выше, чем к III классу отделки.
Для изделий из древесины, фольги, картона, древесностружечных плит основным способом нанесения материалов является обливание на наливных машинах. Материал наносят в виде широкой плоской струи, не превышающейся по всей ширине изделия. Струю такой формы можно получить, сливая жидкость через узкую щель в стенке или днище сосуда.
Распыление
Для нанесения лакокрасочных материалов чаще всего используют способ распыления.
Основные способы нанесения:
- Пневматическое или аэродинамическое распыление. В этом случае материал дробится струей сжатого воздуха.
- Гидравлическое или гидродинамическое распыление при низком и при высоком давлении. При этом способе нанесения материал подается под большим давлением через сопло распылителя в результате резкого перепада давления.
- Электростатическое распыление, приводящее к получению аэрозоля за счет воздействия электрических сил.
Пневматическое распыление
Потеря материала при пневматическом способе нанесения связана, во-первых, с туманообразованием и, во-вторых, с возможностью пролетания частиц материала мимо изделия. На величину потери материала влияет давление сжатого воздуха, расстояние от сопла до изделия, форма и размер аэрозольного факела, а также конструктивные особенности распылителя (например, геометрия распылительной головки, диаметр ее отверстий, наличие на корпусе распылителя различных регулирующих приспособлений).
Наиболее важным из этих факторов, обуславливающим величину потерь материала на туманообразование, является давление сжатого воздуха на распыление.
Гидравлическое (механическое) распыление
Капли материала, обладая кинетической энергией, движутся к изделию, увлекая при этом часть окружающего воздуха и преодолевая его сопротивление, коагулируют на поверхности изделия, образуя слой полимерного материала.
По сравнению с пневматическим распылением способ безвоздушного распыления экономически более выгоден, так как на 20% снижаются потери материала на туманообразование.
Электроосаждение
Способом электроосаждения наносят водоразбавляемые материалы: водно-дисперсионные и водорастворимые.
Способы нанесения водоразбавляемых материалов
Основным способом нанесения водоразбавляемых материалов на основе водорастворимых пленкообразователей является электроосаждение.
Электроосаждение водорастворимых материалов принципиально отличается от электрофоретического осаждения водных дисперсий полимеров, так как происходит в результате химических превращений на электроде или при электродном пространстве. Процесс электроосаждения состоит в осаждении на изделие пленкообразователя из водного раствора при воздействии постоянного тока. Изделие служит электродом и связано с одним из полюсов источника постоянного тока. Противоположным электродом является металлический корпус ванны или металлические пластины, специально опущенные в ванну. Процесс электроосаждения может быть анодным (анафорез) или катодным (катафорез) в зависимости от того, где происходит нанесение — на аноде или катоде.
Преимущество катодного электроосаждения перед анодным заключается в следующем: исключается электрохимическое растворение металла изделия и окисление пленкообразователя, что обеспечивает защитное действие покрытий, полученных этим способом.
К водорастворимым материалам для электроосаждения помимо традиционных предъявляются следующие требования: способность разбавляться водой, высокая рассеивающая способность, значительный условный выход по току. Обязательным является определение удельной электропроводности, по которой контролируется чистота ванной электроосаждения.
Влияние температуры окрашиваемой подложки на качество покрытия
Вязкость водоразбавляемых лакокрасочных материалов существенно зависит от температуры ЛКМ (вязкость воды ~ обратно пропорциональна температуре). Но с понижением температуры происходит и увеличение времени высыхания лакокрасочного покрытия до степени три, что может существенно влиять на качество покрытия при нанесения на вертикальные подложки. В таблице приведены результаты исследования внешнего вида покрытия в зависимости от температуры подложки (размеры подложки 150 х 150 х 1).
Наносимая эмаль «Акрокор» при 20°С имеет вязкость по ВЗ — 246, с диаметром сопла 4 мм 25 с. После нанесения пластины 5 минут выдерживали на воздухе в вертикальном положении и затем помещали в термостат с температурой 90°С на 60 минут.
Влияние температуры подложки на качество покрытия при нанесении на вериткальные
металлические пластины (150 х 150) эмали «Акрокор» пневмораспылением
| Температура подложки, °С |
Внешний вид покрытия | Толщина покрытия на пластине, мкм |
|
| Верхний край |
Нижний край |
||
| 20 | Ровное, без подтеков | 42 | 42 |
| 18 | Ровное, без подтеков | 39 | 40 |
| 16 | Наблюдается стекание эмали | 46 | 55 |
| 14 | Стекание эмали | 34 | 43 |
| 12 | Стекание эмали | 20 | 40 |
| 10 | Стекание эмали | 30 | 53 |
Влияние относительной влажности воздуха на свойства формируемых лакокрасочных покрытий
Формирование покрытия из любой дисперсионной лакокрасочной композиции, в том числе из воднодисперсионной, происходит в результате коагуляции ее на подложке. Среди коагуляционных воздействий наиболее часто для этого используется концентрирование воднодисперсионной краски на подложке в умеренно тонком слое за счет испарения воды.
Общая феноменология процесса пленкообразования из латекса при высушивании сравнительно проста (рис.1) Первый этап, связанный с удалением основной части воды, заканчивается образованием промежуточного геля. Вторая стадия — синерезис промежуточного геля. Эта стадия может протекать и без принудительного испарения воды, а лишь за счет самопроизвольного сжатия геля. Однако под влиянием принудительного испарения влаги синерезис промежуточного геля протекает с большой скоростью.
| Рис.1 Схема процесса пленкообразования из латексов | Рис.2 Влияние относительной влажности на скорость формирования защитно-декоративных свойств ЛК покрытий с разным содержанием пленкообразующего в рецептуре |
 |
 |
Завершается вторая стадия практически полного удаления воды из пленки и деформацией полимерных частиц.
Основу третьей стадии пленкообразования составляют процессы заключающиеся в ликвидации физических границ между полимерными частицами, которые обычно заканчиваются за несколько суток. В течении этого времени технические свойства этих пленок значительно улучшаются. На этой же стадии протекают и некоторые диффузионные процессы, заметно влияющие на свойство покрытий, которые зависят от относительной влажности окружающей среды (процессы самопроизвольного удаления избыточного эмульгатора).
В связи с повсеместным переходом потребителей к экологически безопасным лакокрасочным материалам (в частности, водным) остро встала проблема влияния относительной влажности среды на скорость формирования защитно-декоративных свойств покрытий.
Экспериментальная часть
В работе исследовали формирование защитно-декоративных свойств пленок (по твердости, водостойкости, смываемости) во времени в зависимости от влажности окружающей среды.
Изучали пленки лакокрасочных материалов (ЛКМ)
- строительных серий «УНИВЕРСАЛ» ТУ 2316-003-50003914-99;
- по защите металла «АКРОКОР» (грунтовки, краски, эмаль) ТУ 2316-004-50003914-99;
- лака «АКРОЛАК» ТУ 2316-005-50003914-99;
- для гидроизоляции бетона ВЭП — 012 ТУ 2316-083-050342329-96.
В строительных красках «УНИВЕРСАЛ» содержание латекса изменяется от 4% мас. до 50%, они различаются объемной концентрацией пигмента (ОКП).
В соответствии с техническими условиями соответствующего лакокрасочного материала на пластинки из дерева, металла или стекла наносили слой ЛКМ и помещали в эксикатор с определенной относительной влажностью. Относительная влажность в эксикаторах: 45%, 52%, 66%, 75%, 90%, 98%. Свойства покрытий исследовались с интервалом 12 часов нахождения в эксикаторе. Твердость покрытия определяли по маятниковому прибору, ГОСТ 5253-50. Водостойкость покрытия определяли по ИСО 2812, метод 1, смываемость пленки покрытия по ТУ 2316-003-43447556-99 п.5.
Обсуждение результатов
Изучение влияния относительной влажности окружающей среды на смываемость пленок «УНИВЕРСАЛ», различающихся содержанием латекса в рецептуре, показало, чем выше относительная влажность воздуха, тем больше времени уходит на формирование покрытия. Если при относительной влажности воздуха 66% свойства покрытия сформировались уже через 48 часов, то при относительной влажности 98% это происходит не раньше чем через 140 часов. Для высоконаполненных лакокрасочных материалов строительного назначения эта зависимость не столь существенна в силу того, что образуемое покрытие пористо, а пленкообразователя не хватает на образование сплошной полимерной пленки. Особенно эта зависимость формирования свойств пленки от относительной влажности воздуха проявляется для низконаполненного лакокрасочного материала, с содержанием латекса 50% мас. С уменьшением объемной концентрации пигмента в ЛКМ, с уменьшением пористости пленки, возрастает влияние относительной влажности окружающей среды на формирование пленок ЛКМ в следующем ряду рис. 2: А<В<С.
Краски для потолков обычно имеют максимальное значение ОКП (до 85%), так как их важнейшим свойством является кроющая способность, а стойкость к испарению не существенна.
Объемная концентрация пигмента (ОКП) в красках для стен изменяется в широких пределах, позволяя получить матовые и полуматовые краски. Краски для окон, дверей и деревянных отделочных панелей выпускаются с низким ОКП для получения хорошего блеска и и высоких защитно-декоративных свойств. С уменьшением объемной концентрации пигмента в ЛКМ, возрастает влияние относительной влажности окружающей среды на формирование защитно-декоративных свойств покрытий, на третью стадию пленкообразования (рис.1).
 |
 |
 |
|
Рис.3 Влияние относительной влажности на остаточное содержание воды (В) в пленке ВЭП-012 во врмени (t,мин) после нанесения. Толщина пленки во влажном состоянии 225 мкм, температура 20° C |
Рис.4 Влияние толщины пленки ВЭП-012 (содержание воды 62,5%) на остальное содержание воды (В) в пленке во времени (t,мин) после нанесения. |
Рис.5 Влияние температуры на остаточное содержание воды (В) в пленке ВЭП-012 (содержание воды 62,5%) во времени (t,мин) после нанесения. Толщина пленки во влажном состоянии 225 мкм. Относительная влажность — 66% |
Очень наглядно это видно из рис.2, где обобщено влияние относительной влажности воздуха на скорость формирования защитно-декоративного покрытия (твердость, водостойкость) по металлу лака «Акролак» (С). Даже через 120 часов после нанесения покрытия пленка не набрала защитных свойств — водостойкость 36 часов и твердость 0,25 при относительной влажности воздуха 90% вместо не менее 72 часов и 0,40 соответственно из ТУ.
На рис.2 приведено обобщение влияния относительной влажности воздуха на скорость формирования защитно-декоративных свойств (твердость, водостойкость) покрытия по металлу «АКРОКОР-2» и «АКРОКОР-ЭМАЛЬ» (содержание латекса 54% мас.) Увеличение относительной влажности воздуха свыше 75% приводит к существенному увеличению срока формирования защитно-декоративных свойств покрытия. А это приводит к тому, что защитные покрытия на изделиях не набрали защитно-декоративных свойств и их нельзя эксплуатировать через указанные сроки в технических условиях или рекомендациях на указанные ЛКМ (обычно 48 часов).
На рис. 3-5 приведено влияние ряда факторов на скорость удаления воды из пленки водоэмульсионного эпоксидного ЛКМ ВЭП-012: относительная влажность окружающей среды, температура окружающей среды, толщина пленки.
Увеличение относительной влажности окружающей среды до 90% приводит к существенному уменьшению скорости удаления воды из пленки покрытия (рис.3). При 100%-ной относительной влажности воды вообще не может испаряться, что приводит к разрушению эмульсии и оседанию пигмента.
Время отверждения между нанесением каждого слоя водоосновного эпоксидного покрытия составляет 2-6 часов, и покрытие может быть вынесено на дождь через 16 часов отверждения при 18°С и относительной влажности 85%. На рис.4 приведена зависимость толщины слоя прозрачного покрытия от скорости испарения воды, когда в течение часа с пленки испаряется 90-95% воды. Однонедельное отверждение 300мкм влажной пленки (112 мкм сухой пленки) дает остаточное содержание воды только в 1,2%. На рис.5 показано, что при более низкой температуре скорость испарения воды снижается, однако следует подчеркнуть, что в течение одного часа испаряется 95% воды.
Заключение
Несмотря на отсутствие органических растворителей в пленках изучаемых ЛКМ остается необходимой хорошая вентиляция при нанесении покрытий в замкнутом пространстве. Вода должна испаряться с достаточной скоростью, чтобы покрытие быстрее набрало защитно-декоративные свойства. Из приведенных данных этот барьер колеблется в интервале относительной влажности 75-85%. При более высокой относительной влажности у некоторых покрытий ЛКМ могут ухудшаться внешний вид (ВЭП 012), защитные свойства «АКРОКОР».
Формирование лакокрасочных покрытий в замкнутых помещениях
Формирование покрытия из любой дисперсионной лакокрасочной композиции, в том числе из воднодисперсионной, происходит в результате коагуляции ее на подложке. Среди коагуляционных воздействий наиболее часто для этого используется концентрирование воднодисперсионной краски на подложке в умеренно тонком слое за счет испарения воды.
В связи с повсеместным переходом потребителей к экологически безопасным лакокрасочным материалам (в частности, водным) представляет интерес рассмотрение затрат электроэнергии на вентиляции при нанесении покрытий в защитном пространстве с целью ускорения формирования защитно-декоративных свойств покрытия.
В цехе размером, указанном в таблице 1, покрывали пневмораспылителем металлоконструкции 3-4 слоями лакокрасочного материала до общей толщины сухих слоев в 70-90 мкм. При этом использовали глифталевый грунт ГФ-021 и покрывную эмаль ПФ-115. Из-за присутствия в лакокрасочных материалах органических растворителей было необходимо вентилировать цех с 10-кратной заменой воздуха в час.
| Таблица N° 1 | ||
| Технические характеристики вентилируемого цеха при окраске металлоконструкций |
||
| Объем цеха | 25 x 60 x 5м = 6250м3 | |
| Оцененный максимальный расход органоразбовляемого ЛКМ |
62 л/час | при среднем содержании твердых веществ в 60% |
| Расчитываемый максимальный расход водоразбовляемого ЛКМ |
74,4 л/час | при среднем содержании твердых веществ в 50% |
| Интенсивность вентиляции в цехе — воздухообмен |
10-кратный в час | |
| Скорость вентиляции в случае водоразбовляемого ЛКМ |
варьируется до влажности 85% | |
| Средняя температура в цехе | 18° C | |
| Коэффициент полезного действия нагревателей |
75% | |
Скорость формирования защитно-декоративных свойств покрытий на основе экологически безопасных водоразбавляемых лакокрасочных материалов «Акрокор» существенно зависит от относительной влажности окружающей среды, а потому вентилируемый объем будет существенно зависеть от погодных условий.
На рисунке 6 приведены значения относительной влажности и температуры для каждого месяца года. На рисунке 7 показано количество энергии, необходимое для нагревания 1кг воздуха с температурой, указанной на рисунке 1 до температуры 18°С. На рис. 8 показаны, рассчитанные исходя из таблицы 1 и рис. 6 и 7, величины интенсивности вентиляции. На рис. 8 показано также, что по сравнению с водоразбавляемыми системами, применение органоразбавляемых покрытий на базе органических растворителей требует 6-7-кратного увеличения интенсивности вентиляции.
На рис.8 показано также, что в зимнее время, когда высока стоимость нагрева, требуется меньшая вентиляция по сравнению с летним сезоном. Это объясняется тем, что в январе со средней температурой в 3°С и относительной влажностью в 86% нагревание воздуха до 18°С приводит к снижению влажности до 30%. При этой относительной влажности может быть нанесено большое количество водоразбавляемого ЛКМ до тех пор, пока влажность не достигнет предела в 85%. Поэтому количество вентилируемого воздуха в этом случае меньше. С другой стороны, имеется вероятность, что в летнее время потребуется какое-то нагревание с тем, чтобы снизить относительную влажность. Когда внешняя температура составляет 18°С, а относительная влажность 90%, то нагревание до 22°С снизит относительную влажность до 70%.
На рис. 9 приведена стоимость нагрева воздуха в течении года; показано, что применение водоосновных покрытий на основе водоразбавляемых ЛКМ «Акрокор» может снизить стоимость в 10 раз.
| Рис. 6 Средние погодные условия по месяцам года |
 |
| Рис. 7 Увеличение энтальпии при нагревании вентилируемого воздуха до 18°C по месяцам года |
 |
| Рис. 8 Интенсивность вентиляции (число сменных объемов в час) до увеличения влажности в 85% (максимальная величина относительной влажности) |
 |
| Рис. 9 Часовая стоимость нагрева цеха объемом 6250 куб. в рублях |
 |
Сопоставление потребления электроэнергии на вентиляцию закрытого цеха при окраске металлоконструкций показывает на существенные преимущества водоразбавляемых лакокрасочных материалов перед органоразбавляемыми и позволяет отнести их к энергосберегающим технологиям окраски.
Таким образом, повышая температуру окружающей среды при формировании защитно-декоративных свойств покрытия на основе водоразбавляемых ЛКМ, можно значительно снизить влияние такого фактора как относительная влажность окружающей среды на скорость формирования свойств лакокрасочного покрытия.