Технология порошковой покраски

Первые порошковые краски появились в 60-е годы прошлого века. В это же время был разработан электростатический способ их нанесения. Становлению данной технологии способствовал ряд экономических факторов, возрастающие требования по охране окружающей среды, а также стремление к повышению качества покрытий. Порошковые краски были разработаны не только с целью придать изделиям привлекательный внешний вид и обеспечить надежную защиту окрашиваемым поверхностям, но и уменьшить затраты на покраску и вред, наносимый экологии.

В 1960-х была разработана система анодирования. Появляются покрытия с эффектом «металлик», а также порошковые краски, обладающие высокой устойчивостью к воздействию внешних факторов.

Некоторые даты из истории развития технологии порошковой покраски: 

• 1950-1955
В Германии выдаются первые патенты на использование технологии порошковой окраски. 
• 1963
В Европе появляются первые электростатические распылители. 
• 1965-1970
Появление порошковых красок на эпоксидной основе 
• 1968-1972
Появление порошковых красок из полиэстера, эпоксидной смолы и акрила для декоративного окрашивания. 
• 1971-1974
В США построен первый завод по производству порошковых красок. 

Преимущества и недостатки порошковой окраски

Преимущества порошковой окраски заключаются, прежде всего, в прочности, экономичности и экологичности покрытия.
В данной технологии не используются огнеопасные и токсичные жидкие растворители, поэтому данная технология практически безопасна. Отсутствие растворителей обеспечивает дополнительную экономию на стоимости краски. Кроме того, выбор цветов и текстуры практически не ограничен. Данный метод окраски позволяет выбирать любые оттенки и фактуры, например, золотистый или серебристый металлик, поверхности под бронзу, серебро или гранит. Используя метод порошковой покраски, можно получать поверхности с различной степенью глянца, а также с рельефной фактурой. Порошковые краски поставляются в готовом виде, что исключает такие дорогостоящие процедуры как контроль вязкости и колеровка. Это обеспечивает им экономичность, стойкость, прочность, долговечность и отличное качество.
Порошковая покраска обеспечивает образование ударопрочного антикоррозийного покрытия, которое работает в температурном диапазоне от –60 до + 150С и обеспечивает надежную электроизоляцию. Резкие смены температуры не влияют на качество краски.

Экономические преимущества порошковой краски: 

• экономна за счет низкого процента отходов; 
• практически 100% краски переносится на рабочую поверхность; 
• при избыточном количестве краски, которая не оседает на окрашиваемой поверхности в процессе распыления, ее можно использовать еще раз; 
• технология высоко автоматизированная, что обеспечивает легкость в обучении рабочих отсутствие необходимости ухода за покрытием; 
• минимальные потери материала при окраске; 
• около 95% краски, собранной в процессе очистки оборудования, можно использовать повторно, поэтому утилизация порошковых красок очень высока; 
• вследствие отсутствия растворителей не требуется ни времени на его испарение, ни затрат на удаление паров. 

Экологические преимущества порошковой краски: 

• не содержит вредных органических соединений; 
• технология является экологически чистой; 
• сниженная опасность возгорания; 
• минимальное выделение химического запаха; 
• технология способствует улучшению санитарно-гигенических условий труда; 
• концентрация летучих веществ, выделяющихся в процессе полимеризации, никогда не достигает предельно допустимой нормы. 

Основные преимущества порошковых покрытий по сравнению с красками на растворителях: 

• отличные декоративные и физико-химические свойства покрытий, недостижимые при традиционных способах окраски; 
• достигается более высокое качество покрытий и лучшие эксплуатационные свойства; 
• покрытие изделий осуществляется без грунтовки поверхности; 
• за счет 100%ного содержания сухого вещества, порошковое покрытие наносится в один слой, в отличие от дорогих многослойных жидких покрытий; 
• пористость в порошковом покрытии намного меньше. Большинство порошковых красок обладает улучшенными антикоррозийными и ударопрочными свойствами по сравнению с обычными красками; 
• для нанесения порошкового покрытия не требуется особой подготовки или контроля вязкости, поскольку порошковые краски поставляются потребителю в готовом к применению виде; 
• потери при порошковой окраске составляют всего 1-4%, в то время как потери при окрашивании жидкими красками составляют около 40%; 
• затвердевание порошкового покрытия происходит в течение всего 30 минут; 
• порошковые краски не нуждаются в больших складских помещениях для хранения; 
• большая прочность порошкового покрытия сводит к минимуму повреждение окрашиваемых изделий при транспортировке, кроме того, обеспечивается снижение затрат на упаковку. 

Возможные недостатки: 

• в процессе окрашивания для каждого цвета требуется отдельный контейнер; 
• необходимо четкое контролирование процесса покраски для предотвращения возможности взрыва; 
• могут возникать трудности с нанесением очень тонкого слоя краски; 
• возможны трудности с окрашиванием при низких температурах; 
• определенные ограничения в применении, например, при нестандартных формах объектов или сборных конструкций. 

Технология порошкового окрашивания

Подробнее о каждом этапе: 
• Подготовка поверхности. 
• Нанесение порошковой краски. 
• Полимеризация. 
• Системы рекуперации. 

Порошковое покрытие представляет собой слой полимерных порошков, которые сперва напыляют на поверхность изделия, а затем подвергают полимеризации при определенной температуре в специальной печи (печи полимеризации).

Базовая технология нанесения порошковой краски состоит из трех основных этапов: 
1. Подготовка поверхности к покраске (включает удаление загрязнений и окислов, обезжиривание и фосфатирование для повышения адгезии и защиты изделия от коррозии).
2. Нанесение слоя порошковой краски на окрашиваемую поверхность в камере напыления.
3. Оплавление и полимеризация порошкового покрытия в печи полимеризации. Формирование пленки покрытия. Охлаждение и отвержение краски. 

При больших объемах производства или обработке крупногабаритных деталей используется транспортная система. С ее помощью окрашенные изделия легко перемещаются от станции к станции. Принцип ее действия заключается в том, что окрашиваемые детали подаются на специальной подвеске или тележках, которые передвигаются по рельсам. Транспортная система позволяет проводить процесс окраски непрерывно, за счет чего значительно увеличивается производительность работы.

Вначале процесса порошковой окраски производится загрузка частей на конвейерную ленту. При предварительной обработке поверхности перед окрашиванием детали попадают в пятиступенчатый очиститель, где подвергаются обработке очистителем, споласкиванию чистой водой, фосфатированию и антикоррозийной обработке.

После этого детали подвергаются сушке. Для этого они прогоняются через специальную печь для просушки с целью предотвращения попадания на них влаги, после чего они охлаждаются.

На следующем этапе детали помещаются в камеру окрашивания или напыления, где порошковая краска вручную распыляется на деталь с помощью электростатического распылителя под действием сжатого воздуха. В распылителе частицы краски приобретают электрический заряд. Под действием электростатических сил частицы порошка притягиваются к поверхности и располагаются на ней равномерными слоями.

После этого детали с нанесенной порошковой краской помещаются в печь или камеру полимеризации приблизительно на 10 минут для непосредственного окрашивания детали. Температура в печи достигает 150-220 градусов. Здесь частицы порошка оплавляются и закрепляются на окрашиваемой поверхности. Этот процесс также называют формированием поверхности. После образования пленки покрытия детали охлаждаются и снимаются с конвейера.

В начальной стадии любого процесса окрашивания производится предварительная обработка поверхности. Это самый трудоемкий и продолжительный процесс, которому часто не уделяют должного внимания, однако который является необходимым условием получения качественного покрытия. Подготовка поверхности предопределяет качество, стойкость, эластичность и долговечность покрытия, способствует оптимальному сцеплению порошковой краски с окрашиваемой поверхностью и улучшению его антикоррозийных свойств.

При удалении загрязнений с поверхности важно наиболее правильно подобрать метод обработки и состав, применяемый для этой цели. Их выбор зависит от материала обрабатываемой поверхности, вида, степени загрязнения, а также требованиями к условиям и срокам эксплуатации.

Для предварительной обработки поверхности перед окрашиванием используются методы обезжиривания, удаления окисных пленок (абразивная очистка, травление) и нанесения конверсионного слоя (фосфатирование, хроматирование). Из них обязателен лишь первый метод, а остальные применяются в зависимости от конкретных условий.

Процесс подготовки поверхности включает несколько этапов: 

• Очистка и обезжиривание поверхности; 
• фосфатирование (фосфатами железа или цинка); 
• споласкивание и закрепление; 
• сушка покрытия. 

На первом этапе происходит обезжиривание и очистка обрабатываемой поверхности. Она может производиться механическим или химическим способом. При механической очистке используются стальные щетки или шлифовальные диски, также в зависимости от размеров поверхности возможна ее притирка чистой тканью, смоченной в растворителе. Химическая очистка осуществляется с использованием щелочных, кислотных или нейтральных веществ, а также растворителей, применяющихся в зависимости от вида и степени загрязнения, типа, материала и размера обрабатываемой поверхности и т.д.

При обработке химическим составом детали могут погружаться в ванну с раствором или подвергаться струйной обработке (раствор подается под давлением через специальные отверстия). В последнем случае эффективность обработки значительно повышается, поскольку поверхность подвергается еще и механическому воздействию, к тому же, осуществляется непрерывное поступление чистого раствора к поверхности.

Нанесение конверсионного подслоя предотвращает попадание под покрытие влаги и загрязнений, вызывающих отслаивание и дальнейшее разрушение покрытия.

Фосфатирование и хроматирование обрабатываемой поверхности с нанесением тонкого слоя неорганической краски способствует улучшению адгезии («сцепляемости») поверхности с краской и предохраняет ее от ржавчины, повышая ее антикоррозийные свойства. Обычно поверхность обрабатывается фосфатом железа (для стальных поверхностей), цинка (для гальванических элементов), хрома (для алюминиевых материалов) или марганца, а также хромового ангидрида. Для алюминия и его сплавов часто применяют методы хроматирования или анодирования. Обработка фосфатом цинка обеспечивает наилучшую защиту от коррозии, однако этот процесс более сложный, чем остальные. Фосфатирование может увеличить сцепление краски с поверхностью в 2-3 раза.

Для удаления окислов (к ним относятся окалина, ржавчина и окисные пленки) используется абразивная чистка, (дробеструйная, дробеметная, механическая) и химическая очистка (травление).

Абразивная очистка осуществляется при помощи абразивных частиц (песка, дроби), стальных или чугунных гранул, а также скорлупы ореха, подающихся на поверхность с большой скоростью с помощью сжатого воздуха или при помощи центробежной силы. Абразивные частицы ударяются о поверхность, откалывая кусочки металла со ржавчиной или окалиной и другими загрязнениями. Такая очистка повышает адгезию покрытия.

Следует помнить, что абразивная очистка может применяться только к материалам, толщина которых составляет более 3 мм. Большую роль играет правильный выбор материала, поскольку слишком крупная дробь может привести к большой шероховатости поверхности, и покрытие будет ложиться неравномерно.

Травление представляет собой удаление загрязнений, окислов и ржавчины путем применения травильных растворов на основе серной, соляной, фосфорной, азотной кислоты или едкого натра. Растворы содержат ингибиторы, которые замедляют растворение уже очищенных участков поверхности.

Химическая очистка отличается большей производительностью и простотой применения, чем абразивная, однако после нее необходимо промывать поверхность от растворов, что вызывает необходимость применения дополнительных очистных сооружений.

На заключительной стадии подготовки поверхности используется пассивирование поверхности, то есть ее обработка соединениями хрома и нитрата натрия. Пассивирование предотвращает появление вторичной коррозии. Его можно применять как после обезжиривания поверхности, так и после фосфатирования или хроматирования поверхности.

После споласкивания и сушки поверхность готова для нанесения порошкового покрытия.

После того как детали покидают участок предварительной обработки, они ополаскиваются и высушиваются. Сушка деталей производится в отдельной печи или в специальной секции печи отвержения. При использовании печи отвержения для просушки размеры системы снижаются, и отпадает необходимость использования дополнительного оборудования.
Когда детали полностью просушиваются, они охлаждаются при температуре воздуха. После этого они помещаются в камеру напыления, где на них наносится порошковая краска. Основное назначения камеры заключается в улавливании порошковых частиц, не осевших на изделии, утилизации краски и предотвращении ее попадания в помещение. Она оснащена системой фильтров и встроенными средствами очистки (например, бункерами, виброситом и т.д.), а также системами отсоса. Камеры делятся на тупиковые и проходные. Обычно в тупиковых камерах окрашиваются малогабаритные изделия, а в проходных – длинномерные.

Также существуют автоматические камеры напыления, в которых с помощью пистолетов-манипуляторов краска наносится за считанные секунды.

Наиболее распространенным способом нанесения порошковых покрытий является электростатическое напыление. Оно представляет собой нанесение на заземленное изделие электростатически заряженного порошка при помощи пневматического распылителя (их также называют пульверизаторами, пистолетами и аппликаторами). Любой распылитель сочетает в себе ряд различных режимов работы: 
• напряжение может распространяться как вверх, так и вниз; 
• может регулироваться сила потока (напор, течение струи) краски, а также скорость выхода порошка; 
• может меняться расстояние от выхода распылителя до детали, а также размер частиц краски. 

Сначала порошковая краска засыпается в питатель. Через пористую перегородку питателя подается воздух под давлением, который переводит порошок во взвешенное состояние, образовывая так называемый «кипящий слой» краски. Сжатый воздух может также подаваться компрессором, создавая при этом местную область «кипящего слоя». Далее аэровзвесь забирается из контейнера при помощи воздушного насоса (эжектора), разбавляется воздухом до более низкой концентрации и подается в напылитель, где порошковая краска за счет фрикции (трения) приобретает электростатический заряд. Это происходит следующим образом. Зарядному электроду, расположенному в главном ружье, сообщается высокое напряжение, за счет чего вырабатывается электрический градиент. Это создает электрическое поле вблизи электронов. Частицы, несущие заряд, противоположный заряду электрода, притягиваются к нему. Когда частицы краски прогоняются через это пространство, частицы воздуха сообщают им электрический заряд.

При помощи сжатого воздуха заряженная порошковая краска попадает на нейтрально заряженную поверхность, оседает и удерживается на ней за счет электростатического притяжения.
Различают две разновидности электростатического распыления: электростатическое с зарядкой частиц в поле коронарного заряда и трибостатическое напыление. При электростатическом способе напыления частицы получают заряд от внешнего источника электроэнергии (например, коронирующего электрода), а при трибостатическом - в результате их трения о стенки турбины напылителя.

При первом способе нанесения краски применяется высоковольтная аппаратура. Порошковая краска приобретает электрический заряд через ионизированный воздух в области коронного разряда между электродами заряжающей головки и окрашиваемой поверхностью. Коронный разряд поддерживается источником высокого напряжения, встроенным в распылитель. Недостатком этого способа считается то, что при его использовании могут возникать затруднения с нанесением краски на поверхности с глухими отверстиями и углублениями. Поскольку частицы краски прежде осаждаются на выступающих участках поверхности, она может быть прокрашена неравномерно.

При трибостатическом напылении краска наносится с помощью сжатого воздуха и удерживается на поверхности за счет заряда, приобретаемого в результате трения о диэлектрик. «Трибо» в переводе означает «трение». В качестве диэлектрика используется фторопласт, из которого изготовлены отдельные части краскораспылителя. При трибостатическом напылении источник питания не требуется, поэтому этот метод гораздо дешевле. Его применяют для окрашивания деталей, имеющих сложную форму. К недостаткам трибостатического метода можно отнести низкую степень электризации, которая заметно снижает его производительность в 1.5-2 раза по сравнению с электростатическим.

На качество покрытия может влиять объем и сопротивление краски, форма и размеры частиц. Эффективность процесса также зависит от размеров и формы детали, конфигурации оборудования, а также времени, затраченного на покраску.

В отличие от традиционных способов окрашивания, порошковая краска не теряется безвозвратно, а попадает в систему регенерации камеры напыления и может использоваться повторно. В камере поддерживается пониженное давление, которое препятствует выходу из нее частиц порошка, поэтому необходимость в применении рабочими респираторов практически отпадает.

На заключительной стадии окрашивания происходит плавление и полимеризация нанесенной на изделие порошковой краски в камере полимеризации.

После нанесения порошковой краски изделие направляется на стадию формирования покрытия. Она включает оплавление слоя краски, последующее получение пленки покрытия, его отвержения и охлаждения. Процесс оплавления происходит в специальной печи оплавления и полимеризации. Существует много разновидностей камер полимеризации, их конструкция может меняться в зависимости от условий и особенностей производства на конкретном предприятии. С виду печь представляет собой сушильный шкаф с электронной «начинкой». При помощи блока управления можно контролировать температурный режим печи, время окрашивания и настраивать таймер для автоматического отключения печи при завершении процесса. Источниками энергии для печей полимеризации могут служить электричество, природный газ и даже мазут.

Печи делятся на проходные и тупиковые, горизонтальные и вертикальные, одно- и многоходовые. Для тупиковых печей важным моментом является скорость подъема температуры. Этому требованию в наибольшей степени соответствуют печи с рециркуляцией воздуха. Камеры нанесения из диэлектриков с электропроводным покрытием обеспечивают равномерное распределение порошковой краски на поверхности детали, однако при неправильном использовании они могут накапливать электрические заряды и представлять опасность.

Оплавление и полимеризация происходит при температуре 150-220 °С в течение 15-30 минут, после чего порошковая краска образует пленку (полимеризуется). Основным требованием, предъявляемым к камерам полимеризации, является поддержание постоянной заданной температуры (в разных частях печи допускается разброс температуры не менее 5°С) для равномерного прогрева изделия.

При нагреве в печи изделия с нанесенным слоем порошковой краски частицы краски расплавляются, переходят в вязкое состояние и сливаются в непрерывную пленку, при этом вытесняя воздух, находившийся в слое порошковой краски. Часть воздуха может все же оставаться в пленке, образовывая поры, ухудшающие качество покрытия. Для избежания появления пор окраску следует проводить при температуре, превышающей температуру плавления краски, а покрытие наносить тонким слоем.

При дальнейшем нагревании изделия краска глубоко проникает в поверхность и затем отвержается. На этом этапе формируется покрытие с заданными характеристиками структуры, внешнего вида, прочности, защитных свойств и т.д.

При окраске больших металлических деталей температура их поверхности поднимается значительно медленнее, чем у тонкостенных изделий, поэтому покрытие не успевает полностью затвердеть, в результате чего снижается его прочность и адгезия. В этом случае деталь предварительно нагревают или увеличивают время его отвержения.

Отвержение рекомендуется производить при более низких температурах и в течение более продолжительного периода времени. При таком режиме снижается вероятность возникновения дефектов, и улучшаются механические свойства покрытия.

На время получения необходимой температуры на поверхности изделия влияют масса изделия и свойства материала, из которого изготовлена деталь.

После отвержения поверхность подвергается охлаждению, которое обеспечивается за счет удлинения конвейерной цепи. Также для этой цели используются специальные камеры охлаждения, которые могут являться частью печи отвержения.

Соответствующий режим для формирования покрытия необходимо подбирать с учетом вида порошковой краски, особенностей окрашиваемого изделия, типа печи т.д. Необходимо помнить, что для нанесения порошкового покрытия решающую роль играет температура, особенно при нанесении покрытия на термостойкие пластмассы или изделия из древесины.

По окончании полимеризации изделие охлаждается на воздухе. После остывания изделия покрытие готово.

Основное назначение системы рекуперации заключается в улавливании максимально возможного количества порошковой краски и возврата ее в питатель. В рекуператоре происходит фильтрация краски, которая может потом быть использована повторно.

Чаще всего используется двухступенчатая система улавливания. На первом этапе используется пылеотделитель, а на второй стадии улавливание краски происходит при помощи фильтра. С помощью данной системы можно повторно использовать до 98% краски, загруженной в питатель и не осевшей на поверхности детали.

Фильтры грубой и тонкой очистки воздуха подают в рабочую зону очищенный воздух. Благодаря этому отпадет необходимость использования вентиляторов, подогрева воздуха в зимнее время и его обеспыливания. С помощью системы рекуперации значительно снижаются энергозатраты и, соответственно, общие расходы на покраску. Автоматическая очистка фильтров обеспечивает работу воздушного потока без снижения скорости высокую степень очистки воздуха в течение длительного времени.