Электрофорез

Автор этой статьи работал главным проектантом установок для окраски методом электрофореза на предприятии “Protech-Zugil” (Польша), которое в 80-е годы  экспортировало в Ростов на Дону, Тулу, Болгарию и Румынию линии для окраски методом электросаждения элементов комбайнов. В то время применялось исключительно анодное электроосаждение, которое в дальнейшем было вытеснено катодным электроосаждением, ставшим в последствии доминирующим методом при грунтовании кузовов и деталей автомобилей.

В настоящее время, ни у кого не вызывает сомнения по поводу преимуществ окраски методом электроосаждения в серийном, крупносерийном производстве. Возникает вопрос: целесообразно ли применение этого метода при окраске автомобильных запчастей, деталей велосипедов, сантехнической и электротехнической арматуры, мелких деталей, фурнитуры, бижутерии в небольших мастерских и предприятиях.

Главным преимуществом этого метода является большая производительность при окраске узлов и деталей сложной конфигурации, получаемых методом сварки (дуговой, точечной) и имеющих труднодоступные для окраски места, получение лакокрасочной пленки одинаковой толщины, увеличение коррозионной стойкости, а также улучшение внешнего вида окрашенных изделий.

Кроме этого, преимуществом этого метода является возможность окраски внутренних полостей, которые образуются при точечной сварке элементов изготовленных из листовой стали. Никаким другим методом окрасить (тем самым увеличить коррозионную стойкость) эти участки нельзя.

Унос лишней краски деталями из ванны электроосаждения не имеет значения, так как последняя с помощью ультрафильтра и путем промывки ультрафильтратом почти полностью возвращается в производство.

Необходимо также отметить высокую адгезию лакокрасочной пленки к поверхности металла и последующим слоям краски, которые различными методами наносятся на изделие для придания последнему хорошего товарного вида.

Без сомнения, технология окраски методом электроосаждения может быть отнесена к “чистой технологии” ввиду того что:

-       она обеспечивает защиту от коррозии при минимальной затрате лакокрасочного материала в пересчете на единицу окрашиваемой поверхности и образует минимальное количество отходов;

-       она обеспечивает минимальное испарение летучих компонентов при сушке из-за минимальной толщины лакокрасочной пленки.

Эти преимущества находят свое отображение в эксплутационных затратах, которые иногда ниже затрат при порошковой покраске (например, толщина лакокрасочной пленки при окраске электроосаждением составляет 15¸30 мкм, а при окраске порошком 50¸70 мкм, при одинаковой коррозионной стойкости).

Электроосаждение происходит при приложении постоянного тока. Окраска производится двумя методами:

- анофорез, при котором окрашиваемый предмет служит анодом (+), а применяемый лакокрасочный материал содержит щелочную среду pH 7-8.

- катофорез, при котором окрашиваемый предмет служит катодом (-), а применяемый лакокрасочный материал имеет кислую среду pH 5,5-5,9

Получение качественного покрытия в большой степени зависит от качества подготовки поверхности под окраску электроосаждением.

Необходимо тщательное обезжиривание окрашиваемого предмета, а также, в зависимости от требуемой стойкости к коррозии, применение фосфатирования поверхности (как железофосфатного, так и цинкофосфатного). Фосфатирование в совокупности с анофорезным или катофорезным покрытием дает возможность обеспечить заданную коррозионную стойкость, которая определяется в часах с использованием камеры солевого тумана.

Покрытие, полученное методом анофореза с предварительно нанесенной железнофосфатной пленкой, удовлетворяет покрытию, эксплуатируемому в неагрессивных средах, при этом стойкость покрытия составляет 200-300 часов.

Покрытие, полученное методом катофореза с предварительно нанесенной цинкофосфатной пленкой, обладает стойкостью 700-1000 часов, что удовлетворяет требованию к коррозионной защите автомобильных кузовов.

Для покрытия запасных частей к автомобилям достаточно стойкости в 500 часов, что можно получить при нанесении лакокрасочного материала методом катофореза по железнофосфатной пленке на поверхности металла.

Всегда необходим индивидуальный анализ при выборе того или иного метода электроосаждения и подготовки поверхности исходя из необходимой коррозионной стойкости.

Стоимость изготовления и монтажа средней величины катофорезной установки на 20-30% дороже в сравнении с анофорезной установкой из-за применения кислотостойких материалов для изготовления ванн, трубопроводов и т.д.

При изготовлении небольших катофорезных установок можно использовать пластмассу и другие материалы.

К недостаткам окраски методом электроосаждения относятся:

-    большие единовременные затраты на заполнение лакокрасочным материалом ванны в которой происходит окрашивание;

-       необходимость постоянной циркуляции лакокрасочного материала в ванне и трубопроводах, как в процессе окраски, так и перерывах, когда окраска не производится;

-  относительно большая стоимость обвязки ванны трубопроводами в зависимости от того предназначена эта установка для нанесения ЛКМ методом анофореза или катофореза, степени автоматизации процесса, величины самой установки и других требований.

Энергоемкость сушки электрофорезной водоразбавляемой краски аналогична энергоемкости других водоразбавляемых лакокрасочных материалов.

Процесс окраски методом электроосаждения (независимо от того это анофорез или катофорез) сводится к погружению окрашиваемого предмета в ванну, заполненную водным раствором электрофорезного лакокрасочного материала с содержанием сухого остатка для анофореза 10-12%, для катофореза 17-20%. Время осаждения для анофореза 2-2,5 мин., а для катофореза около 3 мин.

Лакокрасочный материал в ванне должен постоянно циркулировать во избежание седиментации (выпадении пигмента в осадок).

Электрическая цепь замыкается через:

• источник питания постоянным током,
• окрашиваемые предметы,
• раствор лакокрасочного материала в ванне,
• электроды на стенках ванны (находятся в кассетах для диализа),
• источник питания.

В результате прохождения электрического тока, величина напряжения которого зависит от конкретного лакокрасочного материала, твердые частички ЛКМ перемещаются вдоль силовых линий электрополя к окрашиваемому предмету до тех пор, пока осажденный слой не достигнет определенной толщины, а его электросопротивления ограничит дальнейшее осаждение твердых частичек краски.

На окрашенной таким образом поверхности предмета, после извлечения его из ванны находятся два слоя краски:

-  первый слой краски –  это электроосажденный лакокрасочный материал в котором находится только несколько процентов жидкой фазы, толщиной более 10 мкм, полученный в результате приложения напряжения;

-   второй слой с концентрацией лакокрасочного материала находящегося в ванне. Этот слой содержит около 15-20% твердого остатка массы лакокрасочного материала и пузырьки газа.

Защитная пленка образуется только из первого слоя. Второй слой, образованный только за счет механического прилипания лакокрасочного материала и пузырьков газа, портит внешний вид покрытия, так как приводит к матовости поверхности и образованию подтеков, при этом происходит дополнительный унос лакокрасочного материала из ванны.

Для того, чтобы избавиться от этого недостатка второго слоя, необходимо снимать последний путем промывки поверхности окрашенного изделия.

В небольших установках, производительностью до нескольких м2/час, расход краски составляет несколько миллилитров в час, потери, связанные с уносом краски, незначительны. В этом случае достаточно промыть поверхность изделия деминерализованной водой.

В установках производительностью окраски более 50 м2/час потери сухого остатка из-за уноса вторым слоем достигают (при толщине слоя пленки 20 мкм) порядка 0,2-0,25 литра/час, что составляет несколько литров в сутки, а это приведет не только к финансовым потерям, но и к загрязнению сточных вод предприятия. Для того чтобы избежать потерь лакокрасочного материала, вернуть его в производство, для промывки применяют ультрафильтрат.

Ультрафильтрат - это жидкость, полученная из лакокрасочного материала и содержащая в основном воду и другие жидкие компоненты, как-то: растворители, кислоты или амины, в зависимости для какого метода нанесения предназначен лакокрасочный материал. В ультрафильтрате твердые частички содержатся в незначительных количествах.

Ультрафильтрат получают в процессе прохождения лакокрасочного материала через так называемый модуль ультрафильтрации, представляющий собой кассету в которой расположены мембраны пористостью 0,005-0,05 мкм.

Производительность модуля по ультрафильтрату зависит от:

-       количества проходящего через модуль лакокрасочного материала,

-       давления со стороны входа лакокрасочного материала,

-       разницы давления на входе и выходе,

-       температуры лакокрасочного материала и содержания в нем сухого остатка.

Давление лакокрасочного материала на входе в модуль составляет от 2 до 4 бар и пропорционально размерам и производительности модуля. Среднее значение производительности по ультрафильтрату из лакокрасочных материалов около 30 л/час на м2 мембраны. Эта производительность при одинаковых условиях прохождения лакокрасочного материала через модуль, для материала предназначенного для анофореза она несколько больше, чем у материала предназначенного для катофореза.

Через ультрафильтр лакокрасочный материал должен протекать под определенным давлением. Задержка протекания больше чем на 30 мин грозит частичным или полным заилением пор мембран, а их регенерация специальными средствами может оказаться малоэффективной и вызвать снижение производительности и жизнеспособности мембран.     Полученный таким образом ультрафильтрат используют для промывки второго слоя лакокрасочного материала, который налип на первый слой, образованный электроосаждением.

Наиболее распространенным использованием ультрафильтрата является его использование в 3-х зонной камере промывки.

Промывка чистым ультрафильтратом производится в III зоне по ходу конвейера. Ультрафильтрат стекающий с изделия в этой зоне попадает в резервуар под II зоной, оттуда он насосом подается в контур промывки, размещенный во II зоне. Таким образом, этот ультрафильтрат используется многократно. Затем часть ультрафильтрата в количестве меньшем, чем его пополнение из III зоны, насосом подается в I зону промывки, куда поступают окрашенные изделия после выхода из ванны электроосаждения.

Используя такую схему промывки можно получить максимальное использование ультрафильтрата в качестве жидкости для промывки и возврата в ванну электроосаждения лакокрасочного материала уносимого из ванны вторым слоем.

В случае применения тактового конвейера, зоны промывки находятся над соответствующими ваннами:

I зона над ванной электроосаждения;

II зона промывки методом окунания в ванне с ультрафильтратом (в некоторых случаях промывка может быть струйной, ультрафильтратом циркулирующем в ванне и контурах промывки).

III зона струйной промывки чистым ультрафильтратом, контуры промывки располагаются над ванной II зоны.

После промывки чистым ультрафильтратом, применяют дополнительную промывку деминерализованной водой для того, чтобы тщательно промыть окрашенные изделия от следов неосажденной краски, что важно при декоративной окраске, а также жидких составляющих ультрафильтрата, так как они могут привести к возникновению полос на высушенной поверхности.

Эта промывка осуществляется в двух зонах:

I зона – циркулирующей деминерализованной водой,

II зона – чистой деминерализованной водой.