Сплавление частиц при нагревании

Нагревание - наиболее простой и распространенный способ перевода твердых пленкообразователей в вязкотекучее состояние, при котором обеспечивается слияние их частиц, формирование пленки сопровождается процессами:

· удаление воздуха из порошка;

· деформация частиц и вязкого течения материала;

· смачивание поверхности подложки расплавом краски;

· отверждение пленкообразователя (для термореактивных красок).

Как и в случаях других дисперсных систем, формирование покрытий из порошковых лакокрасочных материалов связано с деформацией и слиянием их частиц под влиянием поверхностной энергии [29].

Слияние частиц (рис. 3.20) с удовлетворительной скоростью протекает при вязкости расплавов 10²...10³ Па·с. При одной и той же вязкости пленкообразователи с высоким поверхностным натяжением (эпоксиолигомеры, σ = 50 мДж/м²) формируют покрытия быстрее, чем пленкообразователи снизким поверхностным натяжением (полифторолефины, σ = 20 мДж/м²).

При сплавлении уменьшается объем порошкового материала; усадка на стадии активного уплотнения, равно как изменение индивидуальных частиц при изотермическом нагреве, носят прямолинейный характер.

Слияние частиц порошковых материалов происходит по механизму вязкого течения. Движущей силой процесса является поверхностная энергия системы.

Рисунок 3.20 – Схема слияния двух частиц и роста контактного перешейка при плёнкообразовании (стрелками указано направление движения вещества и действия капиллярных сил):

R – радиус частицы; x – величина контактного перешейка; ρ – капиллярное давление

Капиллярное давление ρ (рис.3.20), достигает в начальной стадии процесса 10² Дж/м² и более. Сплав­ление частиц порошковых красок может быть проведено в широком интервале температур; разумеется, чем ниже температура, тем длительнее этот процесс. Свойства покрытий, полу­чаемых при разных температурах, неидентичны. Так, покрытия, из­готовленные при низких температурах, как правило, более светлые, но менее гладкие, чем покрытия высокотемпературного сплавления. Механическая прочность и адгезия у них также могут быть различными.

Образование покрытия связано с установлением контакта поли­мера с поверхностью подложки. Полнота контакта зависит от сма­чивающей способности расплава, которая, в свою очередь, опреде­ляется энергетическими факторами системы полимер-подложка, а именно, убылью свободной поверхностной энергии на границе раздела твердое тело-жидкость-газ.

Так как твердые тела, служащие подложкой (металлы, силикаты и др.), являются высокоэнергетическими (σ_ТГ = 500...2000 мДж/м²), они в большинстве случаев удовлетворительно смачиваются рас­плавами пленкообразователей, имеющими низкие значения поверх­ностного натяжения (σ_ЖГ = 15...55 мДж/м²). Разумеется, в процессы смачивания вносят свои поправки адсорбционные и конверсионные слои, а также микрорельеф поверхности [29].

Смачивание и растекание улучшаются с повышением темпера­туры формирования покрытий, при этом противодействующая сила, определяющая гистерезис смачивания, заметно уменьшается. Тем­пературная зависимость растекания расплавов у разных полимеров неодинакова. Большое влияние на растекание оказывают деструк­тивные процессы. Один из эффективных путей улучшения растекания распла­вов (даже с большим поверхностным натяжением) - тщательная подготовка поверхности покрываемых изделий и применение грун­товок.

Применение внешнего давления (прикатывание расплавленного порошка, действие центробежной силы) ускоряет деформацию ча­стиц на подложке и способствует получению более ровных и каче­ственных покрытий. Смачивание во многом определяет адгезион­ную прочность покрытий. Максимум адгезии соответствует завер­шению процесса сплавления частиц, при котором достигается предельная степень контакта полимера с подложкой. В этом отношении адгезионная прочность нередко может служить критерием оценки завершенности процесса образования покрытия.

В практических условиях покрытия обычно формируют на воздухе. При этом возможна термоокислительная деструкция полимеров; она протекает тем интенсивнее, чем выше температура нагрева и длительнее процесс.

Воздушная среда неблагоприятно сказывается и на передаче те­плоты слою порошкового материала, а отсюда, и на скорости фор­мирования покрытий.