2017-11-01
1244
Формирование покрытий из порошковых лакокрасочных материалов терморадиационным способом предусматривает попадание инфракрасного излучения на лакокрасочную плёнку. При этом, ей передаётся лучистая энергия, которая частично поглощается, частично отражается и частично проходит сквозь лакокрасочный материал (рис. 3.12) [43].
Обозначив суммарную плотность энергии через Е0 (рис. 3.12), аначало координат выбрать на границе раздела слоев. Тогда количество лучистой энергии, адсорбируемой участком слоя от границы раздела до произвольного сечения х, определится выражением:
(3.3)
где k — коэффициент экстинкции (ослабления) монохроматического излучения;
l2 – толщина слоя лакокрасочного материала;
R – коэффициент отражения материала подложки.
Таким образом, необходимо найти нестационарное температурное поле в двухслойной среде с внутренним источником тепла, интенсивность которого определится с учетом (3.3) по формуле:
(3.4)
Краевыми условиями для поставленной задачи являются:
1. В начальный момент времени температуры по сечению слоя порошка и подложки постоянны и равны tН.
2. В любой момент времени τ>0 температуры обоих слоев на границе их соприкосновения одинаковы.
3. Адсорбируемый поверхностным слоем подложки лучистый поток, определяемый выражением 
, трансформируется в тепло, отводимое через слой лакокрасочного материала и подложку.
4. Теплообмен со стороны слоя лакокрасочного материала и со стороны подложки с окружающим воздухом, сохраняющим в течение всего процесса постоянную температуру tВ, происходит путем конвекции.
Таким образом, требуется решить систему уравнений
(3.5)
при краевых условиях
(3.6)
где один штрих и два штриха относятся соответственно к первому и второму слоям;
с2 и γ 2 - теплоемкость и удельный вес лакокрасочного материала;
a - коэффициент температуропроводности;
, α и λ - коэффициенты теплоотдачи и теплопроводности.
Решением системы уравнений (3.6) будет являться температура нагрева подложки и ЛКМ для случая стационарного состояния:
(3.7)
(3.8)
где
(3.9)
(3.10)
Практически во многих случаях достижение полем температур стационарного состояния совпадает во времени с окончанием процесса отверждения полученного покрытия. Температура нагрева подложки и ЛКМ в периоде неустановившегося состояния определяем по выражению (3.11).
(3.11)
где 
и 
- функции, определяемые из (3.7) и (3.8).
После решения уравнения (3.11) температуру нагрева подложки и слоя ЛКМ можно определить по формулам (3.12) и (3.13) соответственно
(3.12)
(3.13)
где Fo2 – критерий Фурье;
- корень трансцедентного уравнения.
(3.14)
где χ – коэффициент пропорциональности;
Bi – критерий Био.
(3.15)
(3.16)
Приняв, для расчёта толщину покрытия равной l2, а также толщину подложки l1, можно рассчитать температуру нагрева подложки образцов различных цветов при нестационарном режиме отверждения по формуле (3.13). Значения коэффициентов А и В, а также φ(х), определяемыепо формулам (3.9) и (3.10) соответственно, характеризуют оптические свойства отверждаемых покрытий и излучателя.
Аналогично жидким лакокрасочным материалам, для отверждения покрытий из порошковых ЛКМ можно применять «светлые» и «тёмные» излучатели.
При проведении исследований по терморадиационному отверждению порошковых ЛКМ нами был сделан в пользу «светлых» излучателей. Дело в том, что порошковые лакокрасочные материалы достаточно проницаемы для ИК – лучей, при этом проницаемость уменьшается с увеличением длины волны, но относительная прозрачность порошков из-за большой рассеивающей способности во всём диапазоне длин волн намного меньше, чем у жидких ЛКМ. По мере формирования покрытий проницаемость порошковых плёнкообразователей для ИК – излучения резко возрастает.
Оптические характеристики пигментированных покрытий, особенно отражательная способность, могут изменяться в зависимости от вида пигмента. Это сказывается на скорости формирования покрытий при лучистом нагреве. Так как плёнка поглощает и отражает только часть лучистой энергии, то остальная, большая её доля попадает на подложку. Отсюда, изменяя спектральные характеристики ИК – излучения и оптические свойства ЛКМ и подложки, можно вызывать предпочтительный нагрев плёнки, подложки или плёнки и подложки одновременно. В случае порошковых ЛКМ необходимо создавать максимум температуры на границе раздела подложки и лакокрасочного материала, т.к. при этом условии получается наиболее качественное ЛКП.
Для терморадиационного отверждения порошковых ЛКМ в качестве нагревательного элемента применялись лампы инфракрасного излучения (рис. 3.35). Применение инфракрасного излучения в качестве способа отверждения покрытий из порошковой краски обусловлено необходимостью снижения температуры нагрева подложки. Если при конвективном способе отверждения происходит нагрев до заданной температуры всего изделия, то при терморадиационном нагреве наблюдается повышение температуры только в месте приложения инфракрасного излучения.
Рисунок 3.35 – Отверждение порошкового лакокрасочного материала инфракрасным излучением
Терморадиационное отверждение осуществлялось на режимах приведённых в таблице 3.1.
Таблица 3.1
Режимы терморадиационного отверждения
| Мощность излучателя, ВТ | Расстояние от излучателя, мм | Время отверждения, мин |
Окончание таблицы 3.1
Первоначальный эксперимент с терморадиационным отверждением проводился при установке источника инфракрасного излучения на расстоянии 150 мм от отверждаемой поверхности. Время отверждения приняли 30 минут. В последствии время отверждения увеличивали, не изменяя при этом расстояния между излучателем и отверждаемой поверхностью. При этом наблюдалось повышение степени адгезии образцов при увеличении времени отверждения.
Испытания производились на образцах окрашенных в красный цвет (RAL 3002) для устранения возможности изменения степени адгезии при применении различных цветов покрытий (рис. 3.36).
|
Рисунок 3.36 – Степени адгезии покрытий красного цвета при различном времени терморадиационного отверждения.
Сопоставление результатов опытов проводимых с образцами красного цвета показывает, что с увеличением времени терморадиационного отверждения степень адгезии образцов повышается от степени адгезии в 4 балла до наивысшей степени адгезии (1 балл).
При изменении цвета наносимого покрытия зависимость изменения степени адгезии от времени отверждения сохраняется. Для подтверждения этого были проведены аналогичные исследования для образцов, окрашенных в белый цвет (рис. 3.37).
|
Рисунок 3.37 – Степени адгезии образцов белого цвета при различном времени терморадиационного отверждения
При отверждении покрытий из порошковых ЛКМ методом терморадиационного нагрева была отмечена зависимость степени адгезии образцов от цвета наносимого покрытия. Это наглядно представлено на рисунке 3.38. На данном рисунке представлены степени адгезии образцов различного цвета при терморадиационном отверждении в течение 40 минут.
Это можно объяснить тем, что степень восприятия лакокрасочными материалами лучистой энергии с различной длиной волны неодинакова, соответственно различен и эффект её действия при отверждении.
Рисунок 3.38 – Степень адгезии образцов различного цвета отверждаемых с выдержкой 40 минут под излучателем.
На температуру нагрева подложки влияет коэффициент экстинкции (коэффициент ослабления монохроматического излучения), с увеличением коэффициента происходит снижение температуры нагрева подложки, что приводит к получению покрытий с различной степенью адгезии.
При сопоставлении разрушений надрезанных решёток у образцов, окрашенных различными цветами, можно отметить, что при одинаковых условиях отверждения (тип и мощность излучателя, расстояние между излучателем и отверждаемой поверхностью) получаются покрытия с различной степенью адгезии, что объясняется различными способностями покрытий разных цветов к восприятию инфракрасного излучения.
На рисунке 3.39 представлена зависимость температуры нагрева подложки в зависимости от времени отверждения. На рисунке видно как различаются температура нагрева подложки у материалов с различным цветом нанесённого лакокрасочного покрытия.
|
|
Рисунок 3.39 – Зависимость температуры нагрева подложки образцов белого, серого и коричневого цвета от времени отверждения (плотность падающего лучистого потока qпад=0,8 вт/см2)
Данную разницу в температурах нагрева подложек, можно объяснить различными оптическими характеристиками (коэффициентом ослабления монохроматического излучения) применяемых лакокрасочных материалов. Из анализа рисунка 3.39 можно сделать вывод, что у покрытия белого цвета коэффициент ослабления монохроматического излучения (коэффициент экстинкции) больше, чем у образцов серого и коричневого цветов, т.е. адсорбируемая подложкой лучистая энергия у образцов белого цвета ниже, по сравнению с образцами, окрашенными в серый и коричневый цвета, что соответственно сказывается на температуре нагрева подложки образцов (температура нагрева подложки образцов серого и коричневого цветов выше температуры нагрева подложки образцов белого цвета).
Далее аналогичным образом исследованы образцы красного и зелёного цветов (рис. 3.40).
|
|
Рисунок 3.40 – Зависимость температуры нагрева подложки образцов зелёного и красного цветов от времени отверждения (плотность падающего лучистого потока qпад=0,8 вт/см2)
Из рисунка 3.40 темп нагрева подложки образцов красного и зелёного цветов практически идентичен образцам серого и коричневого цветов, а в некоторых случаях даже выше. Однако степень адгезии образцов красного и зелёного цветов ниже, чем у образца серого цвета. Это объясняется тем, что образцы серого и коричневого цветов имеют более высокую степень черноты, чем образцы красного и зелёного цветов, поэтому количество аккумулируемого излучения у серого и коричневого цветов выше, чем у красного и зелёного цветов. Аккумулируемое излучение зависит от температуры отверждения. Влияние температуры выражается неявно, но сказывается на ограничении спектра излучения. Для получения высокой степени адгезии образцов красного и зелёного цветов необходимо повышение температуры отверждения, так как это приводит к изменению спектральных характеристик излучателя, которое выльется в изменении коэффициентов экстинкции образцов. Данный вывод сделан на основании того, что участку спектра излучателя, ограниченного определёнными длинами волн, соответствует определённый коэффициент экстинкции и монохроматическая отражательная способность.
Кроме того, была замерена температура нагрева подложки на образцах окрашенных синим цветом и серым металликом (рисунок 3.41).
|
|
Рисунок 3.41 – Зависимость температуры нагрева подложки образцов синего и «серого металлик» цветов от времени отверждения (плотность падающего лучистого потока qпад=0,8 вт/см2)
Для образцов окрашенных синим цветом объяснение низкой степени адгезии аналогично, образцам красного и зелёного цветов. Низкую степень адгезии образцов, окрашенных серым металликом можно объяснить, наличием в пигменте алюминиевых составляющих, которые существенно увеличили отражательную способность пигмента.
Как видно из рисунков 3.39…3.41 наименьшая температура нагрева подложки наблюдается у светлых образцов (белого), а наибольшая у синего образца. Остальные образцы находятся примерно в одном температурном интервале. Однако степень адгезии у них различна. Так для образцов окрашенных в серый и коричневый цвета данная температура достаточна для получения степени адгезии в один балл, в то время как у остальных образцов степень адгезии неудовлетворительная (рисунок 3.42).
Проведённые теоретические и экспериментальные исследования показали зависимость температуры нагрева подложки от оптических характеристик нанесённого на подложку лакокрасочного материала, а также от оптических характеристик применяемого излучателя.
Разность степеней адгезии покрытий, полученных в одном интервале температур (80…90°С), позволяют сделать вывод о том, что процесс терморадиационного отверждения 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 плёнку излучения (эффект воздействия излучения определённой частоты на полимеризацию молекул). Таким образом, полученные результаты подтверждают предположение, о том, что процесс терморадиационного отверждения протекает под влиянием двух факторов: температуры и радиационного эффекта.
Рисунок 3.42 – Степень адгезии образцов белого, серого, коричневого, красного, зелёного, синего и «серый металлик» цветов, отверждаемых в течение 60 минут.
При конвективном способе отверждения покрытий толщина не оказывает существенного влияния на степень адгезии получаемых покрытий. Это обусловлено тем, что при конвективном нагреве нанесённое покрытие и подложка нагреваются одинаково и до большой температуры (140...180ºС). Таким образом, нагрев происходит мягко и равномерно.
При терморадиационном нагреве покрытия различной толщины по-разному воспринимают инфракрасное излучение, т.е количество принятого и отраженного тепла у покрытий различной толщины неодинакова. Данную зависимость можно проследить на примере нагрева подложки образцов (рис. 3.43).
Из рисунка 3.43 видим, что температура нагрева подложки с наиболее толстым слоем покрытия ниже, чем у более тонкого напыления. Это объясняется, тем, что плотность поглощённого излучения зависит от толщины слоя лакокрасочного материала. При этом у образцов разнится и степень адгезии. Разница в полученных степенях адгезии объясняется разностью температуры нагрева подложки. Так при толстослойных покрытиях плотность поглощённого излучения уменьшается, соответственно снижается и температура нагрева подложки, что вызывает получение покрытий с низкой степенью адгезии (рисунок 3.44).
|
|
Рисунок 3.43 – Зависимость температуры нагрева подложки (плотность падающего лучистого потока qпад=0,8 вт/см2) образцов с толщиной покрытия 40 мкм, 70мкм, 95 мкм и 110 мкм от времени отверждения
Рисунок 3.44 – Зависимость степени адгезии от толщины нанесённого слоя порошковой краски
При терморадиационном отверждении с изменением расстояния между отверждаемой поверхностью и излучателем происходит изменение интенсивности поглощаемого излучения, что сказывается на температуре нагрева подложки отверждаемого образца, и соответственно на степени адгезии покрытия. Данное утверждение наглядно подтверждается при рассмотрении диаграммы зависимости температуры нагрева подложки от расстояния между отверждаемым образцом и излучателем (рис. 3.45).
Из рисунка 3.45 видно, что температура нагрева подложки у образцов с расстоянием до излучателя 200 мм на 15ºС ниже, чем у образцов отверждаемых при расстоянии 150 мм. При сокращении расстояния между излучателем и отверждаемой поверхностью до 100 мм, темп нагрева подложки значительно выше, чем при расстоянии 150 мм. Соответственно различна и степень адгезии (рисунок 3.46).
|
|
Рисунок 3.45 – Зависимость температуры нагрева подложки образцов отверждаемых при расстоянии между излучателем (плотность падающего лучистого потока qпад=0,8 вт/см2) и отверждаемой поверхностью 100 мм, 150 мм и 200 мм от времени отверждения
Из рисунка 3.45 видим, что температура на поверхности образцов падает с увеличением расстояния между излучателем и отверждаемой поверхностью.
Экспериментально установлено, что изменение расстояния между излучателем и отверждаемой поверхностью приводит к изменению спектральных характеристик, при которых происходит отверждение покрытий. Это изменение вызывает падение температуры на границе раздела подложка – лакокрасочное покрытие, что приводит к получению покрытий с низкой степенью адгезии.
Рисунок 3.46 – Степень адгезии при различной удалённости излучателя
Для изучения влияния режимов формирования покрытий в отдельности и во взаимодействиях на температуру нагрева подложки было проведены исследования с применением теории планирования эксперимента.
В качестве независимых переменных величин были выбраны три фактора:
- X 1 - время терморадиационного отверждения 40...60 минут;
- X 2 - толщина наносимого покрытия 60...80 мкм;
- X 3 - расстояние между излучателем и отверждаемой поверхностью 100...150 мм..
Функцией отклика (у) принята температура нагрева подложки.
Для расчета функции отклика (у) было составлено уравнение регрессии; входящие в него коэффициенты, рассчитанные на ЭВМ, указаны ниже.
y=b0+b1X1+b2X2+b3X3.
b0=104,12;
b1=-22,125;
b2=36,125;
b3= 75,14.
С учетом этих коэффициентов уравнение регрессии для данного процесса выглядит следующим образом (в кодированных переменных):
Т = 104,12-22.125Х1+36,125Х2+75,14Х3, (3.17)
где: Т - температура нагрева подложки.
Для определения реальной температуры нагрева подложки (уэ) было сделано 8 опытов, в которых изменялись условия отверждения. Полученные данные представлены в таблице 3.2.
Таблица 3.2
Полный факторный эксперимент
| Номер опыта | Кодированные переменные | Факторы | Функция отклика | |||||
| Х1 | Х2 | Х3 | х1 | х2 | х3 | уЭ | уР | |
| -1 | -1 | -1 | 112,8 | |||||
| -1 | -1 | +1 | 93,7 | |||||
| -1 | +1 | -1 | 110,0 | |||||
| -1 | +1 | +1 | 90,1 | |||||
| +1 | -1 | -1 | 123,4 | |||||
| +1 | -1 | +1 | 118,6 | |||||
| +1 | +1 | -1 | 95,4 | |||||
| +1 | +1 | +1 | 90,8 |
Одновременно по методу крутого восхождения определяли критерий уровеня оптимизации процесса (Т):
Т=89,1-11,062х1+14,694х2+24,56х3. (3.18)
При движении к оптимуму из центра плана находили значения факторов путем прибавления 
к соответствующим предыдущим значениям. Для определения уЭ было проведено 9 опытов, в которых варьировали условиями проведения процесса отверждения. Для чета уР (Т) использовали уравнение регрессии (3.17).
Таблица 3.3
Оптимизация процесса терморадиационного отверждения порошковых красок
| Характеристика и номер опыта | х1 | х2 | х3 | уЭ | уР |
| Центр плана | 107,5 | ||||
| Интервал варьирования | - | - | |||
| Шаг движения | 1,25 | - | - | ||
| Крутое восхождение | |||||
| 127,5 | |||||
| 103,8 | |||||
| 132,5 | 103,1 | ||||
| 102,4 | |||||
| 137,5 | 100,75 | ||||
| 100,2 | |||||
| 142,5 | 96,4 | ||||
| 94,8 | |||||
| 147,5 | 92,4 | ||||
| 89,1 |
С учетом полученных данных и результатов расчета по методу полного факторного эксперимента составлена таблица 3.3, позволяющая выбрать оптимальные условия отверждения порошковых красок терморадиационным способом:
- время терморадиационного отверждения 50 минут;
- толщина наносимого покрытия 70 мкм;
- расстояние между излучателем и отверждаемой поверхностью 125 мм.
На основании проведённых исследований можно сделать следующие выводы:
· на скорость конвективного отверждения как жидких, так и порошковых ЛКМ существенное влияние оказывают скорость теплоносителя, которая сказывается на темпе испарения растворителя (у жидких ЛКМ) и на темпе удаления воздуха (из порошковых ЛКМ);
· выявлены зависимости температуры нагрева подложки от цвета, нанесенного на подложку ЛКМ, толщины нанесённого слоя покрытия, а также расстояния между излучателем и отверждаемой поверхностью.
