Сплавление частиц порошковой краски при нагревании, формирование покрытия

Нагревание-наиболее простой и распространенный способ перевода твердых пленкообразователей в вязкотекучее состояние, при котором обеспечивается слияние их частиц. Формирование пленки сопровождается процессами: удаления воздуха из порошка; деформации частиц и вязкого течения материала; смачивания поверхности подложки расплавом краски; отверждения пленкообразователя (для термореактивных красок). Закономерности процесса. Френкель исследовал изменение контактной поверхности при слиянии двух одинаковых сферических частиц, соприкасающихся первоначально в одной точке и вывел зависимость изменения радиуса поры во времени  от поверхностного натяжения и вязкости материала.

По данным Гегузина, рост контактного перешейка (радиуса хорды слияния) между двумя сферическими частицами при вязком течении материала подчиняется зависимости:

Нами при изучении сплавления частиц эпоксидного порошка было установлено, что уменьшение вязкости расплава при нагревании происходит по закону логарифмической функции, поверхностное натяжение изменяется линейно. При этом коэффициент в уравнении Френкеля равен примерно 40. Слияние частиц с удовлетворительной скоростью протекает при вязкости расплавов 102 Па-с. При одной и гой же вязкости пленкообразователи с высоким поверхностным натяжением (эпоксиолигомеры, =50 мДж/м2) формируют покрытия быстрее, чем пленкообразователи с низким поверхностным натяжением (полифторолефины, =20 мДж/м2). При сплавлении уменьшается объем порошкового материала; усадка стадии активного уплотнения, равно как изменение индивидуальных частиц при изотермическом нагреве, носят прямолинейный характер. Конечная величина усадки зависит от относительной пористости порошкового материала. Вычислены значения энергии активации процесса слияния частиц; они оказались примерно равными значениям энергии активации вязкого течения этих материалов. Это говорит о том, что слияние частиц порошковых материалов происходит по механизму вязкого течения. Движущей силой процесса является поверхностная энергия системы. Капиллярное давление 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. В частности, покрытия из поливинилбутиральных красок можно получить в интервале температур от 160 до 300 С; время формирования покрытий при этом изменяется от 50 до 2 мин. 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.

Скорость смачивания и растекания может быть связана с параметрами жидкости (расплава) и твердого тела (подложки).

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

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: в случае пентапласта она носит прямолинейный характер, полиамидов – изменяется по сложной функции. Большое влияние на растекание оказывают деструктивные процессы.

Один из эффективных путей улучшения растекания расплавов (даже с большим поверхностным натяжеиием) 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.

Роль внешней среды. 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. Установлено, что при получении покрытий сплавлением частиц молекулярная масса нестабилизированного ПЭНД уменьшается приблизительно в 2 раза, полипропилена в 30-40 раз; характеристическая вязкость порошкового поливинилбутираля падает в 2-3 раза.

Воздушная среда неблагоприятно сказывается и на передаче теплоты слою порошкового материала, а отсюда, и на скорости формирования покрытий. Указанные недостатки в значительной степени устраняются, если средой служат жидкие теплоносители. В качестве последних пригодны вещества, имеющие высокое поверхностное натяжение (не менее 40 мДж/м2) и плохо смачивающие частицы порошковой краски (краевой угол смачивания не ниже 60). Хорошие результаты дает применение жидкометаллического теплоносителя (сплава С-1) и нитрит-нитратной смеси (сплава СС-4). В отдельных случаях могут быть применены другие теплоносители силиконовые масла, роданиды щелочных металлов, высшие спирты и т.д. При использовании жидких теплоносителей резко ускоряется процесс слияния частиц вследствие большей скорости теплопередачи и одновременно снижается деструкция пленкообразователей из-за отсутствия контакта с воздухом. Особенно значительно ускоряется формирование покрытий из композиций на основе полифторолефинов и других термостойких и образующих высоковязкие расплавы полимеров: продолжительность стадии сплавления частиц при этом уменьшается в 20-30 раз; одновременно на 20-60 снижается температура формирования покрытий.

При применении жидких теплоносителей облегчается получение покрытий на нетермостойких подложках (дерево, бумага, ткани), снижаются энергозатраты и улучшается качество покрытий.