Производство порошковых красок и размер частиц порошка

 Введение

Многие производители алюминиевой продукции, например, алюминиевых профилей, или имеют собственное оборудование для их порошкового окрашивания, или окрашивают их «на стороне». В обоих случаях у них возникают вопросы:

  • Что такое «хорошая порошковая краска»?
  • Что такое «хороший производитель порошковой краски»?
  • Как различать дефекты покрытия, причиной которых является низкое качество краски, от тех дефектов, причиной которых является нарушение технология окрашивания?

Ниже представлен обзор типичной технологии изготовления порошковых красок. Выделены критические этапы производства, которые особенно влияют на качество производимой порошковой краски. Показана роль распределения размера частиц порошка на качество порошкового покрытия.

Точный состав, строгая технология и тщательный контроль

Общая схема технологии

Технология изготовления промышленных порошковых красок состоит из четырех четких этапов [1, 2] (рисунок 1):

  • Взвешивание исходных компонентов краски, их предварительное смешивание и измельчение.
  • Плавление и экструдирование полученной массы, охлаждение экструдата и его грубое дробление.
  • Размалывание дробленого экструдата в порошок.
  • Добавление компонентов в готовый в порошок (при необходимости), упаковывание и хранение.


Рисунок 1 – Схема типичной технологии производства порошковой краски [1]

На каждом этапе качество промежуточного продукта подвергается строгому контролю, потому что, когда порошковая краска полностью изготовлена, ее уже нельзя каким-либо образом скорректировать или исправить. Качество исходных материалов, точность их содержания и строгое соблюдение технологии являются очень важными для получения высококачественной порошковой краски.

Взвешивание, смешивание и измельчение

Процесс

Исходные материалы обычно включают смолы, отвердители, пигменты, наполнители и добавки, например, для улучшения текучести и облегчения дегазации. Каждый исходный материал проходит свой индивидуальный входной контроль качества.

Доля каждого компонента тщательно взвешивается с необходимой степенью точности. Для некоторых компонентов эта точность может составлять 0,0001 г [2]. Все компоненты, отмеренные в количестве согласно рецепту для данной марки краски, загружаются в контейнер предварительного смешивания – миксер (рисунок 2).


Рисунок 2 –  Взвешивание и загрузка
исходных материалов [2]

Затем этот контейнер устанавливается на миксер. Здесь все исходные материалы тщательно перемешиваются с помощью специальных режущих лезвий в течение заданного количества времени. При этом все исходные материалы максимально измельчаются, чтобы на следующих этапах облегчить перемешивание расплава (рисунок 3) [2].

Рисунок 3 – Предварительное смешивание исходных материалов [2]

Контроль качества

Образец этого «замеса» из исходных материалов проверяют на однородность и пропускают через небольшие лабораторные экструдер и жернов. Полученный порошок затем наносят на контрольную панель, отверждают полученное покрытие в печи и подвергают его следующим испытаниям:

  • Цвет, растекание по поверхности и глянец
  • Механические свойства
  • Длительность отверждения (полимеризации)

Если по результатам этих испытаний требуются какие-либо корректировки, то процесс перемешивания и контроль качества повторяют до тех пор, пока получаемый порошок не будет соответствовать установленным техническим требованиям.

После этого этапа производства никакие дальнейшие модификации состава порошка уже невозможны.

Экструдирование, охлаждение и дробление

Процесс

Далее смесь исходных материалов подается с помощью системы дозирования в экструдер. В экструдере поддерживается заданная температура (от 70 до 120 ºС в зависимости от типа краски). Это нужно для того, чтобы смола в достаточной мере расплавилась хорошо перемешалась с другими компонентами при прохождении червячного винта экструдера (рисунок 4).

Рисунок 4 –  Экструдирование, охлаждение и дробление [2]

В результате на выходе из экструдера все компоненты измельчаются и смачиваются смолой с образованием гомогенного композита. Скорость подачи дозатора и скорость вращения винта сбалансированы таким образом, чтобы обеспечивать полную загрузку экструдера. Это обеспечивает хорошее перемешивание всех компонентов краски.

После экструдера полученная расплавленная масса поступает для охлаждения на транспортер-холодильник. Затем материал в виде плоских кусков поступает на дробилку (рисунок 4), где разламывается и дробится в удобные для размалывания их на следующем этапе производства «чипсы» размером 5-10 мм (рисунок 5).


Рисунок 4 – Полуфабрикат порошковой краски после экструдера [3]


Рисунок 5 – Грубо дробленый экструдат порошковой краски [3]

Контроль качества

На этом этапе производят испытание пробы полученных «чипсов». На лабораторном жернове их измельчают в порошок. Затем этот порошок наносят на контрольную панель. Полученное покрытие проверяют на качество по следующим критериям:

  • Цвет, глянец, внешний вид и текучесть
  • Механические и химические свойства
  • Способность к электростатическому нанесению

Слишком высокая температура в экструдере не только приведет к низкой вязкости расплава, низким сдвиговым силам и недостаточной дисперсии пигмента, но и также будет причиной низкого глянца порошкового покрытия. Смола и отвердитель в смеси могут также начать реагировать в экструдере, что окажет вредное влияние на характеристики порошковой краски [2].

На этой стадии производства уже невозможно делать изменения в состав краски. Дешевле отправить на переработку некондиционные экструдированные «чипсы» сейчас, чем потом – уже готовый порошок после перемалывания этих чипсов [2].

Размалывание экструдата в готовый порошок

Процесс

Дробленный экструдат («чипсы») загружают в агрегат, который называют мельницей. В нем экструдат перетирается в порошок. Чтобы получить оптимальное распределение размера частиц (РРЧ) порошок проходит несколько этапов обработки: циклонирование, сепарирование, фильтрование и просеивание. На современных заводах отсеянные слишком крупные частицы автоматически направляются обратно на подачу в мелющий агрегат.

Рисунок 6 – Размалывание дробленого экструдата в готовый порошок [2]

Контроль качества

Готовая порошковая краска подвергается строгому контролю качества, чтобы убедится, что она соответствует всем установленным требованиям, в том числе,  заданным требованиям по РРЧ.

Упаковывание и хранение

Процесс

Чтобы удовлетворить особым требованиям заказчика или специальным условиям применения порошкового покрытия на этом этапе могут вводиться добавки, которые замешиваются  в уже готовый порошок.

Порошок может нормально сохраняться в нераспакованной промышленной упаковке (картонной коробке, мешке или контейнере) в сухом, прохладном месте (30 ºС) до 12 месяцев. Более высокие температуры и более длительное хранение могут приводить к поглощению влаги.  Для некоторых красок условия хранение могут отличаться, поэтому нужно всегда следовать указаниям на упаковке краски, а также в паспорте или сертификате.

Контроль качества

Рекомендуется проверять краску после 6 месяцев хранения, чтобы убедится, что у нее нет каких-либо проблем с качеством.

Частицы стандартные, мелкие и крупные

Стандартные частицы

Это частицы, которые производитель красок хочет упаковать в коробки и отправить заказчику. Интервал размеров этих частиц очень строго контролируется. Стандартные частицы обеспечивают формирование порошкового покрытия с максимально возможным качеством и уверенным выполнением всех требований по механическим и другим свойствам.

Мелкие частицы

Это очень маленькие частицы, которые могут создавать проблемы при окрашивании, такие как дефект «рамка», когда по кромке изделия образуется более толстое покрытие. Мелкие частицы порошка оседают на изделие с другой скоростью, чем стандартные частицы, особенно на боковых и задних поверхностях изделия, что приводит к чрезмерному колебанию толщины покрытия. Чрезмерное количество в порошковой краске мелких частиц может также приводить к забиванию пистолетов и шлангов, так как мелкие частицы ожижаются более легко, чем стандартные частицы [2].

Крупные частицы

Эти частицы являются слишком большими, чтобы пройти через последнее сепарационное сито. Некоторые производители повторно перемалывают эти крупные частицы, чтобы получить из них хороший порошок, некоторые из них просто выбрасывают их. Бывает, что эти крупные частицы ошибке или из-за неисправности сепарационного оборудования в попадают коробку для отправки заказчику. При электростатическом напылении они не смогут получить необходимого электрического заряда, как это обычно делают стандартные частицы, и скорее всего просто упадут на дно окрасочной камеры. Это приводит к снижению эффективности первичного напыления порошка на изделие. Кроме того, замечено, что чрезмерное количество крупных частиц в порошковой краске может приводить к осыпанию порошка на некоторых участках поверхности изделия в ходе его перемещений по окрасочной линии с образованием пятен с пониженной толщиной покрытия [2].

Порошковая краска в коробке

Некоторое количество мелких и крупных частиц порошка могут попадать в коробку с краской независимо от применяемой технологии изготовления порошковой краски (рисунок 7). Каждый производитель порошковой краски имеет специальную машину для анализа распределения размеров частиц (РРЧ). Эта машина испытывает образцы краски и показывает как велико различие между размерами частиц порошка. В нормальной коробке с порошком не должно быть чрезмерного количества крупных или мелких частиц, которые могут приводить к проблемам для порошкового покрытия.

Рисунок 7 – Типичный вид частиц порошка
в различных порошковых красках [4]

На что влияет размер частиц?

Следующие этапы процесса нанесения являются особенно чувствительными к распределению размеров частиц порошка [2]:

  • Транспортирование порошка по системе нанесения покрытия
  • Электростатическая зарядка частиц порошка и проникновение их в «клетки Фарадея»
  • Формирование однородного облака порошка в окрасочной кабине
  • Осаждение и скорость роста толщины покрытия на поверхности изделия
  • Эффективность первичного нанесения порошка

Термоотверждаемые порошки наносятся на изделия электростатически. Поэтому частицы порошка должны быть способны заряжаться в электростатическом поле или в результате трения пистолете. Этот заряд должен быть достаточным, чтобы притягивать частицы к поверхности и кромкам изделия. Однако, осаждение первых частиц порошка не должно приводить к электрической изоляции поверхности, так это будет препятствовать формированию покрытия заданной толщины [2].

Текучесть порошка должна соответствовать всем внутренним и наружным требованиям по его транспортированию. Размер частицы в значительно степени определяет способность порошка к свободному течению. Эта текучесть зависит не только от материала порошка, но также от формы и размера частиц [2].

Большинство промышленных порошковых красок имеют размер частиц от 10 до 100 мкм. Для электростатического метода напыления порошка оптимальными являются частицы порошка с размерами от 15 до 75 мкм, а идеальными частицами – от 25 до 45 мкм [6].

На графике рисунка 8 представлено типичное РРЧ для промышленной пигментированной эпоксидной порошковой краски. На графике видно, что некоторые частицы немного больше, а некоторые немного меньше среднего размера частиц. Чем более острым является пик этой кривой, тем более стабильным будет процесс окрашивания и более однородным само порошковое покрытие.  
Рисунок 8 – Типичное распределение размеров частиц порошковой краски [7]

Заключение

Качество порошковой краски, в том числе, распределение размеров частиц готового порошка, во многом определяет качество порошкового покрытия. На качество порошковой краски влияет большое количество производственных факторов: качество исходных материалов, точность выполнения технологии, состояние технологического оборудования, наличие эффективного контроля качества.

Источники:

  1. The Review of Powder Coatings //Journal of Materials Science and Chemical Engineering, 2016, 4, 54-59
  2. Complete Guide to Powder Coatings – Akzo Nobel – 1999
  3. TCI Powder Coatings Manufacturing  – 2020
  4. What Coaters Need To Know About Powder Coating Particle Size – 2017
  5. TCI Powder Coating Troubleshooting Guide – 2020  
  6. Патент №US8377346B2 – Akzo Nobel – 2013.