Формирование покрытий из органорастворимых лакокрасочных материалов терморадиационным нагревом

Терморадиационный способ, или способ лучистого нагрева в настоящее время является одним из основных способов отверждения покрытий.

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

При сушке лакокрасочных материалов инфракрасными лучами термоизлучение, проникая через слой покрытия, нагревает внутреннюю поверхность подложки. Возникает перепад температур между внутренней поверхностью пленки, соприкасающейся с металлом, и ее слоями, находящимися ближе к поверхности покрытия (рис. 3.12). Иначе говоря, имеет место градиент температур, направленный изнутри к поверхности.Таким образом, исходя из общей теории тепло- и массообмена, при терморадиационном отверждении во внутренних слоях пленки имеет место совпадение по знаку (направлению) градиента общего давления паров воздуха от подложки к поверхности пленки и градиента температур (эффект термовлагопроводности).

Процесс отверждения покрытий можно представить следующим образом [39] (рисунок 3.12). В слой материала 2, нанесенный на подложку 1, входит поток лучистой энергии а-б-в-г. Часть этого потока а поглощается в слое материала и превращается в тепло, вследствие чего поверхности подложки достигает только поток б-в-г, часть которого б поглощается в поверхностном слое подложки, нагревая последнюю, а лучистая энергия в-г отражается от поверхности подложки. Отраженное излучение частично поглощается слоем лакокрасочного материала в, а некоторая доля его г выходит из слоя ЛКМ в окружающее пространство и практически не используется.

Рисунок 3.12 – Схема проникновения инфракрасных лучей в слой лакокрасочного материала:

1 – подложка; 2 – лакокрасочный материал; l₁ – толщина подложки; l₂ – толщина нанесённого лакокрасочного материала; t_в – температура окружающего воздуха; х – координата максимума температуры; а – часть лучистого потока поглощенного слоем ЛКМ; б – часть лучистого потока поглощенного слоем подложки; в – часть отражённого лучистого потока поглощенного слоем ЛКМ; г - часть отражённого лучистого потока непоглощенного слоем ЛКМ.

Для процесса отверждения покрытия имеют большое значение те части лучистого потока, которые на рисунке отмечены буквами а, б, в.

Для отверждения терморадиационным методом используются два типа излучений. Коротковолновое излучение с длиной волны λ = 760…2500 нм считается светлым. Такое излучение характерно для ламповых (или «светлых») излучателей. В отличие от него излучение с длиной волны λ = 3500…4500 нм называют темным. Источниками его являются тела с температурой нагрева 650…720 К («тёмные» излучатели) [7, 39].

Степень восприятия лакокрасочными материалами лучистой энергии с различной длиной волны неодинакова, соответственно различен и эффект её действия при отверждении.

Процесс запекания лакокрасочной пленки, по мнению ряда исследователей [39, 41], является процессом чисто температурной полимеризации, поликонденсации или окисления. Аналогичными соображениями руководствовался Л. Л. Павловский [39], разрабатывая метод расчета сушки изделий, покрытых лаками или эмалями. Согласно этим данным, достижение требуемой твердости эмалевого покрытия обеспечивается созданием в пленке необходимой для протекания процесса запекания температуры (120…150°С) вне зависимости от того, каким способом эта температура достигнута.

Как уже отмечалось, основным требованием, вытекающим из принятого в настоящее время представления о механизме терморадиационной сушки лаков и эмалей, является достаточная проницаемость их для инфракрасных лучей. Эта проницаемость создает условия для протекания процесса запекания от подложки к наружным слоям без образования поверхностной пленки, препятствующей удалению растворителя [38]. Ж. Леконт в подтверждение этой точки зрения приводит результаты опытов по сушке лака, нанесенного на металлическую пластинку и высушенного в одном случае, когда пленка лака обращена к излучателю, а в другом облучению подвергалась противоположная, не покрытая лаком поверхность. Данные, приведенные на рисунке 3.13, убедительно доказывают, что при одинаковом ходе температурной кривой (на границе эмали и подложки) скорость затвердевания пленок при непосредственном воздействии терморадиации на покрытия значительно возрастает.

На основании результатов опытов, представленных в работе [39], можно сделать вывод о том, что процесс запекания не является чисто тепловым процессом и его интенсивность в значительной степени обусловлена специфическим воздействием инфракрасной радиации, которая должна быть связана со спектральной характеристикой падающего на лакокрасочную пленку излучения. Здесь имеется в виду эффект воздействия излучения определенной частоты на полимеризацию молекул.

Н, усл. ед.

Т, ⁰С

τ, мин

Рисунок 3.13 – Кинетика запекания эмали МЛ-1110 терморадиационным способом при одинаковом темпе нагрева:

1 – темп нагрева плёнки; 2 – кинетика запекания эмали, когда окрашенная поверхность обращена к излучателю; 3 – кинетика запекания эмали, когда к излучателю обращена неокрашенная поверхность.

Естественно предположить, что воздействие на лак или эмаль лучистой энергии с частотой, соответствующей частотам собственных колебаний тех групп атомов, которые участвуют в процессе полимеризации, должно вызвать явление, подобное резонансу, в результате чего межатомные связи могут разрушаться и создаваться новые высокомолекулярные образования. Например, в масляных ЛКМ процесс высыхания связан с разрывом двойной связи в группе С = С, собственные колебания которой соответствуют длине волны 3…3,3 мк. В лаках и эмалях на мочевино-формальдегидной основе процесс высыхания связан с разрывом связи N = C, Имеющей частоту собственных колебаний в области 3…5 мк, и присоединением молекулы формальдегида, собственные колебания которой соответствуют 3,6 и 5,7 мк и т.п [38, 39].

Как видно из приведенных данных, область собственных колебаний групп атомов, активно участвующих в процессе полимеризации, соответствует максимуму излучения абсолютно черного тела в интервале температур 300…700° С. Таким образом, можно предположить, что процесс формирования пленки лака протекает под влиянием двух факторов: температуры и радиационного эффекта.

Результаты, полученные Г.Д. Рабиновичем и Л.С. Слободкиным [39], по запеканию трех типов эмалей, изготовленных на глифталевой, мочевино-формальдегидной и алкидно-меламиновой основах, в сушильных камерах со светлыми и темными излучателями представлены на рисунках 3.14…3.16.

Рисунок 3.14 – Сравнительная характеристика эффективности керамического и лампового излучателей по скорости запекания эмали МЧ-123 при одинаковом темпе нагрева:

1 – темп нагрева подложки; 2 – скорость запекания эмали при использовании светлого излучателя (плотность падающего лучистого потока q_пад=0,88 вт/см²); 3 – скорость запекания эмали при использовании керамического (тёмного) излучателя (плотность падающего лучистого потока q_пад=0,88 вт/см²).

Рисунок 3.15 – Сравнительная характеристика эффективности керамического и лампового излучателей по скорости запекания эмали ФСХ при одинаковом темпе нагрева:

1 – темп нагрева подложки; 2 – скорость запекания эмали при использовании светлого излучателя (плотность падающего лучистого потока q_пад=1,5 вт/см²); 3 – скорость запекания эмали при использовании керамического (тёмного) излучателя (плотность падающего лучистого потока q_пад=0,88 вт/см²).

Из рисунков видно, что если мочевино-формальдегидная эмаль МЧ-123 и глифталевая эмаль ФСХ (голубая) при одинаковом темпе нагрева подложек затвердевают значительно быстрее при терморадиационном воздействии керамических темных излучателей, то алкидно-меламиновая эмаль МЛ-1110 (синяя), наоборот, затвердевает при прочих равных условиях быстрее при радиационном воздействии ламповых излучателей. Объяснение этим явлениям можно найти из сопоставления спектральных характеристик рассматриваемых эмалей, которая, выражается коэффициентом экстинкции (коэффициент ослабления монохроматического излучения). Чем больше этот коэффициент, тем меньше пропускательная способность эмали, а следовательно, и специфичность воздействия на них тепловой радиации, которая может сказаться только лишь на верхних слоях покрытия [39].

Рисунок 3.16 – Сравнительная характеристика эффективности керамического и лампового излучателей по скорости запекания эмали МЛ-1110 при одинаковом темпе нагрева:

1 – темп нагрева подложки; 2 – скорость запекания эмали при использовании светлого излучателя (плотность падающего лучистого потока q_пад=1,2 вт/см²); 3 – скорость запекания эмали при использовании керамического (тёмного) излучателя (плотность падающего лучистого потока q_пад=0,8 вт/см²).

Полученные данные позволяют сформулировать следующее принципиальное положение: выбор источника излучения для проведения процесса сушки (запекания) лакокрасочных пленок тесным образом связан с химической структурой пленкообразователя, составляющего основу эмали или лака. Поэтому нельзя говорить о преимуществах того или иного вида излучателей безотносительно к тем конкретным типам эмалей, для высушивания которых эти излучатели применяются.

На рисунках 3.17 и 3.18 представлены результаты опытов, в которых была достигнута одинаковая твердость пленки при воздействии различных типов излучателей [39]. Для меламино-алкидной эмали МЛ-1110 (белая ночь) требуемая плотность падающего лучистого потока при использовании ламп вдвое меньше, чем при воздействии низкотемпературного керамикового излучателя, в то время как при сушке мочевино-формальдегидной эмали МЧ-123 имело место обратное соотношение (при сопоставимых значениях коэффициентов отражения поверхностей эмалей).

Рисунок 3.17 – Сравнительная эффективность керамического и лампового излучателей по темпу нагрева эмали МЛ-1110 (белая ночь) при одинаковой скорости запекания:

1 – темп нагрева подложки ламповым излучателем (плотность падающего лучистого потока q_пад=0,4 вт/см²); 2 - темп нагрева подложки керамическим излучателем (плотность падающего лучистого потока q_пад=0,8 вт/см²); 3 – скорость запекания эмали при использовании светлого излучателя; 4 – скорость запекания эмали при использовании керамического (тёмного) излучателя.

Сравнительная оценка эффективности конвективного и терморадиационного отверждения показывает, что при одинаковом темпе нагрева эмали МЛ-1110 (белая ночь), скорость запекания покрытия в случае терморадиационного нагрева плёнок светлыми излучателями существенно выше, чем при конвективном прогреве (рис. 3.19).

Рисунок 3.18 – Сравнительная эффективность керамического и лампового излучателей по темпу нагрева эмали МЧ-123 при одинаковой скорости запекания:

1 – темп нагрева подложки ламповым излучателем (плотность падающего лучистого потока q_пад=1,5 вт/см²); 2 - темп нагрева подложки керамическим излучателем (плотность падающего лучистого потока q_пад=0,88 вт/см²); 3 – скорость запекания эмали при использовании светлого излучателя; 4 – скорость запекания эмали при использовании керамического (тёмного) излучателя.

На ускорение процесса запекания терморадиационным способом оказывает влияние, более высокая скорость испарения растворителя, чем при конвективном отверждении [38].

Однако, повышая до оптимальных значений скорость обдува изделий при конвективной сушке, можно обеспечить достаточно высокий темп нагрева подложек и скоростное запекание эмалевых плёнок без изменения цвета покрытий.