Формирования покрытий из порошковых пленкообразователей

Порошковые лакокрасочные материалы (лаки, краски, компаунды) - двухфазные дисперсные системы, в которых дисперсной фазой служат частицы пленкообразователя, пигментов и других нелетучих компонентов, а дисперсионной средой - воздух (составляет 40-90 % их объема).

Порошковые краски являются, как термодинамически, так и кинетически неустойчивыми системами. Термодинамическая неустойчивость обусловлена наличием межфазной границы краска-воздух. Кинетическая же неустойчивость связана со склонностью частиц оседать из воздуха, а не витать в этой среде, что объясняется значительной разницей в плотности дисперсионной среды воздуха и краски.

Формирование покрытий из порошковых красок (термопластичных и термореактивных)связано с протеканием следующих процессов на поверхности субстрата:

1) ожижение - переход порошкового материала в капельно-жидкое состояние (расплав) проводят нагреванием;

2) монолитизация - слияние частиц (капель);

3) физическое отверждение - переход материала из расплава в твердое состояние при охлаждении.

Процесс слияния частиц проходит в вязкотекучем состоянии полимеров, когда их вязкость достигает 10²-10³ Па•с. Время полного слияния частиц (τ_по) при заданной температуре может быть найдено по уравнению Френкеля:

τ_по = К η R /σ,

где К – коэффициент формы частиц (постоянная); η - вязкость полимера; R - радиус частиц; σ - поверхностное натяжение расплава на границе с воздухом.

Для термореактивных систем при сплавлении частиц и далее имеет место образование пространственно-сшитого полимера.

Реакция "сшивания", связанная с ростом вязкости системы, должна протекать лишь после завершения процесса слияния частиц, в противном случае не удается получить качественных покрытий. Общее время формирования покрытия в этом случае складывается из времени слияния частиц тс и времени образования пространственной (трехмерной) структуры пленки.

При пленкообразовании происходит усадка порошка полимера. Можно привести типовые кривые этого процесса.

Температурная зависимость усадки порошкообразных полимеров: Т-температура, Н - высота слоя порошка.	Временная зависимость усадки порошкообразных полимеров: Т-продолжительность пленкообразования; Н - высота слоя порошка.

С повышением температуры до определенного предела не наблюдается изменения высоты слоя (участок I). Дальнейшее нагревание и переход полимера в высокоэластическое состояние сопровождается усадкой порошка (участок II). В случае низкомолекулярных полимеров, например, эпоксидов, усадка происходит в более узком интервале температур, чем у высокополимеров (полистирол, поливинилбутираль и др.). В момент образования пленки наблюдается резкое изменение хода кривой, которая имеет почти горизонтальное положение (участок Ш). Этому переходу соответствует минимальная температура пленкообразования – МТП (Т_п). Для порошковых красок так же характерен этот параметр. МТП - эта минимальная температура, ниже которой сплавления частиц протекает с малой скоростью, неприемлемой с точки зрения производства. Она, как правило, заметно ниже технологической температуры формирования покрытия (хотя в последнее время эта разница уменьшается). При изменении свойств порошкового материала при нагревании, можно судить о завершенности процесса, определить значения минимальной температуры МТП, продолжительности пленкообразования.

Формирование покрытий из любого порошкового пленкообразователя можно проводить в широком интервале температур, однако это будет влиять на продолжительность процесса. Например, покрытия из поливинилбутиральной краски можно получить при 170 и 250 °С, время слияния частиц при этом составляет соответственно 30 и 3 мин.

На скорость и температуру сплавления частиц влияют следующие изменения:

· размера частиц. Высокодисперсные порошки формируют покрытия значительно быстрее и при более низких температурах, чем грубодисперсные. ↓d→↓T, ↓τ. Например, покрытия из порошковой полиэтиленовой краски с частицами 1-5 мкм легко образуются при 180-190 °С, при размере частиц 50-250 мкм необходимо нагревание до 220-240 °С.

· вязкость. Вязкость наиболее легко регулируемый параметр. Снижают использованием пленкообразователей с меньшей молекулярной массой, введением пластификаторов, модификаторов. ↓М.масса→↓T, ↓τ. Наиболее медленно и при высокой температуре Формирование покрытия из полимеров с большой молекулярной массой, особенно фторопластов, в этом случае сплавление проводят при температурах 300-350 °С в течение 20-40 мин. Напротив, слияние частиц полиамидов протекает при 250 °С всего за 3-5 мин (вследствие образования более низковязких расплавов).

· поверхностного натяжения расплава полимера.

Заключительная стадия формирования покрытий - охлаждение, при этом полимер переходит из вязкотекучего состояния в стеклообразное или кристаллическое.

Различают 2 режима охлаждения расплава (отверждения пленки):

Ø медленный (отжиг),

Ø быстрый (закалка).

В общем случае отвержденные пленки (расплавы) следует охлаждать с оптимальной скоростью, т.к. при этом реализуется условие для рассасывания термических внутренних напряжений и переход в равновесное состояние, т.е. отрезки макромолекул должны успеть удобным образом разместиться в полимерной матрице.