Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса, постановка цели и задачи исследования
1.1 Виды повреждений лакокрасочных покрытий сельскохозяйственных машин 11
1.2 Лакокрасочные материалы применяемые для окрашивания сельскохозяйственных машин
1.3 Способы нанесения лакокрасочных материалов 25
1.3.1 Способы нанесения жидких лакокрасочных материалов 25
1.3.2 Способы нанесения порошковых лакокрасочных материалов
1.4 Способы сушки лакокрасочных материалов 31
1.5 Цели и задачи исследования 33
ГЛАВА 2. Определение оптимальных режимов отверждения порошковых лакокрасочных материалов терморадиационным способом 35
2.1 Определение оптимальных режимов отверждения порошковых лакокрасочных материалов терморадиационным способом 35
2.2 Выводы 44
ГЛАВА 3. Методики экспериментальных исследовании
3.1 Приготовление образцов покрытий и свободных плёнок 45
3.2 Оборудование для получения покрытий 45
3.3 Режимы получения покрытий 48
3.4 Определение толщины и укрывистости покрытий 51
3.5 Определение адгезии 53
3.6 Методика оптимизации процесса терморадиационного отверждения порошковых лакокрасочных материалов 59
3.7 Математическая обработка и определение ошибки полного факторного эксперимента
ГЛАВА 4 Результаты исследований 61
4.1 Исследование толщины и укрывистости покрытий 61
4.2 Исследование влияния способа отверждения порошковых красок на адгезию 64
4.2.1. Конвективный нагрев 64
4.2.2 Терморадиационный нагрев 74
4.3 Исследование зависимости температуры нагрева подложки и степени адгезии от цвета носимого покрытия
4.4 Исследование зависимости температуры нагрева подложки и степени адгезии от толщины наносимых покрытий
4.5 Исследование зависимости температуры нагрева подложки и степени адгезии от расстояния между излучателем и отверждаемой поверхностью 99
4.6 Исследование совместимости порошковых красок с традиционными лакокрасочными материалами 104
4.7 Исследование коррозионной стойкости образцов окрашенных порошковой краской 105
4.8 Оптимизация процесса терморадиационного отверждения порошковых лакокрасочных материалов
4.9 Выводы 107
ГЛАВА 5 Производственные рекомендации по ремонтному окрашиванию сельскохозяйственных машин порошковыми по красками и технико-экономическая эффективность данной технологии
5.1 Производственные рекомендации по ремонтному окрашиванию сельскохозяйственных машин порошковыми красками 110
5.2 Технико-экономическая эффективность применения технологии ремонтного окрашивания сельскохозяйственных машин порошковыми красками 116
Общие выводы 122
Список использованных источников
- Виды повреждений лакокрасочных покрытий сельскохозяйственных машин
- Способы нанесения порошковых лакокрасочных материалов
- Определение оптимальных режимов отверждения порошковых лакокрасочных материалов терморадиационным способом
- Исследование влияния способа отверждения порошковых красок на адгезию
Введение к работе
Внедрение в производство сельскохозяйственных машин прогрессивной технологии, которая основана на использовании деталей, выштампованных из тонколистового проката и сваренных контактной электросваркой, принесло с собой помимо значительного увеличения объёмов производства машин и экономии металла немало сложных задач, в том числе задачу надёжной защиты от коррозии [110].
Наряду с постоянно увеличивающейся коррозионной активностью среды, с усложнением конструкции и формы отдельных частей сельскохозяйственных машин увеличивается число зон с повышенной интенсивностью корродирования. Кроме того, уменьшается толщина стального проката, из которого изготовляются детали. Если долговечность и прочность старых моделей достигались в основном за счёт использования в качестве материала стальных листов сравнительно большой толщины, то при современных объёмах производства это стало практически невозможно. В связи с этим большую актуальность приобрели вопросы защиты от коррозии [111].
Основоположниками в области изучения вопросов хранения и защиты от коррозии сельскохозяйственных машин были такие учёные, как И.Н. Фишман, Б.С. Свирщевский, А.Н. Селиванов, М.Н. Меламед. Дальнейшее развитие исследований по защите от коррозионных разрушений нашло в работах А.Э.Северного, В.В.Горло, Е.А. Пучина, А.Н.Новикова, О.Н. Терновской. Основным видом защиты машин от коррозии данные учёные называли лакокрасочные покрытия (ЛКП) [48,56,70,111]. Однако существующая технология окрашивания машин обладает рядом недостатков, характерных для всех технологий с использованием жидких лакокрасочных материалов. В первую очередь это - применение органических растворителей и других огнеопасных и вредных веществ. Кроме того, коэффициент полезного использования жидких лакокрасочных материалов составляет 40...60%, а для получения толстослойных покрытий
(70...80 мкм) необходимо наносить несколько слоев с промежуточной сушкой. Указанные недостатки жидких органорастворимых лакокрасочных материалов стимулируют поиск и разработку новых композиций, более приемлемых в экологическом, экономическом и техническом планах. К новым видам лакокрасочных материалов относятся водорастворимые ремонтные эмали, а также порошковые краски.
Водорастворимые ЖМ отличаются от традиционных органорастворимых материалов, применением в качестве растворителя воды, что сказывается на улучшении их экологических характеристик, однако водорастворимые ЖМ, также как и органорастворимые материалы имеют низкий коэффициент использования материала, в результате потерь на туманообразование и невозможности возврата использованного лакокрасочного материала в производственный процесс [18,42,49,97].
Технический прогресс в области органических покрытий, связанный решением экологических и экономических проблем и необходимости повышения качества защиты изделий, привёл на рубеже 60-70-х годов XX столетия к появлению принципиально нового вида лакокрасочных материалов - порошковых красок [13].
Эти материалы известные за рубежом под названием «Powder coating», «Pulverlacke», за сравнительно короткий промежуток времени получили исключительно широкое развитие и применение. Рост их производства в мире в последние двадцать лет составил 10...15% в год, в, то время, как для жидких лакокрасочных материалов - не превысил 3...5%. Стимулирующими факторами такого роста явились: экономические соображения, связанные с отсутствием в красках органических растворителей и других летучих веществ и, соответственно, отсутствие их выброса в атмосферу; безотходная технология покрытий (практически полная утилизация красок при нанесении, их возвращение в производственный цикл); относительная простота и экономичность технологического процесса производства покрытий (как правило, наносят один слой вместо двух-трёх при нанесении
жидких красок); снижение степени пожаро- и взрывоопасное производств; хорошие эксплуатационные свойства покрытий, нередко превосходящие таковые у покрытий, полученных из жидких красок[94].
Существует много примеров применения порошковых красок для окрашивания сельскохозяйственных машин, однако, этот вид лакокрасочных материалов ещё недостаточно полно используется при окрашивании машин после ремонта. Проблемы использования порошковых красок при ремонтном окрашивании сельскохозяйственных машин обусловлены необходимостью использования специального оборудования для получения покрытий, а также возможность получения покрытий только в условиях сервисных предприятий.
Применение порошковых красок в качестве верхних покрывных покрытий при ремонтном окрашивании позволит получить более (по сравнению с традиционными органорастворимыми лакокрасочными материалами) качественные покрытия на деталях сельскохозяйственных машин. При этом получаемые покрытия могут быть различны по функциональному назначению (антифрикционные, с повышенной коррозионной стойкостью и т.д.), т.е. исходя из назначения сельскохозяйственных машин, выбирается тот или иной вид порошкового лакокрасочного материала.
Исходя из выше сказанного, вопрос применения порошковых красок при ремонтном окрашивании сельскохозяйственных машин на данный момент является актуальным и возникает необходимость в изучении процессов и закономерностей получения покрытий из порошковых красок.
Виды повреждений лакокрасочных покрытий сельскохозяйственных машин
В условиях открытого атмосферного воздействия лакокрасочные покрытия (ЛКП) под действием влаги, тепла и холода, солнечной радиации, кислорода, механических воздействий и других факторов претерпевают необратимые изменения, отражающиеся на физико-химических и механических свойствах покрытий и приводящие, в конечном счете, к разрушению последних. Такое изменение свойств покрытий и называют старением[111].
В основном старение лакокрасочных пленок сводится к двум химическим процессам - деструкции и структурированию. Деструкция -процесс, ведущий к разрыву цепей макромолекул покрытия, уменьшению их размеров и снижению молекулярной массы. В зависимости от главного разрушающего фактора различают несколько видов деструкции ЖП: окислительную (происходит под действием кислорода воздуха), гидролитическую (под действием воды), термическую (под действием тепла), фотохимическую (под действием света). В реальных условиях эксплуатации ЛКП при комплексном воздействии разрушающих факторов различные виды деструкции могут протекать одновременно, что резко усиливает процесс разрушения покрытий[109].
Наряду с деструкцией при старении происходит и дальнейшее структурирование, приводящая к увеличению твердости пленки и уменьшению её эластичности, в результате чего в покрытии образуются разветвленные цепи и циклы, возникают трехмерные структуры. Полимеризация происходит при окислении покрытия за счет контакта с воздухом, окислителями и т. д.
Процессы деструкции и структурирования в лакокрасочной пленке обычно протекают одновременно, но деструкция идет более интенсивно, чем и определяется изменение свойств пленки с течением времени в сторону ее разрушения[111].
Кроме химических процессов, на старение оказывает влияние и ряд физических процессов: растрескивание покрытия, происходящее из-за различия коэффициентов теплового разрушения пленки и окрашенного металла, а также под действием вибраций и ударов; механическое истирание покрытия под действием пыли и т. д.; сорбция на поверхности покрытия влаги, пыли, газообразных и жидких веществ и др.
Интенсивность химических и физических процессов, вызывающих старение ЛКП, зависит от многочисленных факторов воздействующих на покрытия в реальных условиях эксплуатации. На различных стадиях старения лакокрасочной пленки появляются следующие характерные признаки изменения ее свойств: меление, выветривание, растрескивание, появление очагов коррозии на окрашенных участках[110].
Кроме повреждений лакокрасочного покрытия в результате коррозии, распространены механические повреждения защитных покрытий, которые образовались от ударов твердых частиц (дорожной крошки, гравия, щебня и т.п.), вылетающих из-под колес машин. Ясно, что получаемые при этом удары и образовавшиеся микротрещины разрушают пленку защитного покрытия и как следствие открывается возможность свободного проникновения влаги, кислорода и других химически активных веществ к незащищенному металлу. Наибольшему абразивному изнашиванию из-за удара твердых частиц, вылетающих из-под колес, подвержены внутренние поверхности арок колес и днище.
Одной из разновидностей повреждений является истирание лакокрасочной пленки на лицевых деталях сельскохозяйственных машин при потери износостойкости пленочного покрытия из-за длительной эксплуатации под воздействием ультрафиолетовых лучей, когда тонкий поверхностный слой пленки окисляется с выделением пигментов. Этот процесс называется меление. Он сопровождается изменением цвета, потерей блеска, появлением белесоватости. При протирании такой поверхности часть пигмента с поверхностных слоев лакокрасочных покрытий снимается протирочным материалом[42].
Нередко из-за местных перенапряжений, вызванных движением машин по выбитым дорогам, сначала разрушается, а затем и изнашивается лакокрасочное покрытие по зафланцовкам дверей и капота.
Все вышеназванные повреждения и износы в конечном итоге приводят к разгерметизации сварных швов и других соединений деталей машин, к образованию пластовой коррозии под резино-битумными прокладками по полу, к образованию сквозных разрушений в лицевых деталях, к раскрытию сварных швов в местах соединения[64].
Способы нанесения порошковых лакокрасочных материалов
Окраска деталей жидкими лакокрасочными материалами при ремонте лакокрасочных покрытий может осуществляться следующими способами: с помощью кистей и накатных валиков; окунанием; струйным обливом; воздушным и безвоздушным распылением; распылением в электростатическом поле[105].
Окраска кистями и накатными валиками получила ограниченное распространение, особенно при использовании быстросохнущих лакокрасочных материалов. Преимуществами этого метода являются простота и универсальность, позволяющие окрашивать поверхности различных размеров и конфигураций. Кроме того, при окрашивании кистью достигается большое сцепление краски с поверхностью детали за счет втирания [29].
Окраска окунанием имеет широкое распространение вследствие простоты исполнения, высокой производительности, уменьшения потерь лакокрасочного материала и возможности хорошего прокрашивания деталей сложной формы [138].
Окраска струйным обливом заключается в том, что детали подают в специальную установку, где обливают лакокрасочным материалом, а затем выдерживают в парах растворителей. Высокая концентрация задерживает испарение, улучшает разлив эмали, что уменьшает количество потеков. Способ струйного облива требует больших производственных площадей для размещения оборудования и характеризуется повышенным расходом растворителей [105].
Воздушное (пневматическое) распыление основано на превращении лакокрасочного материала при помощи сжатого воздуха в тонкую дисперсную массу, которая наносится на поверхность детали в виде мельчайших капель. Капли, сливаясь, друг с другом, образуют покрытие, отличающееся высокими защитно-декоративными свойствами. Разведенная краска из нагнетательного бака поступает в краскораспылитель и наносится на окрашиваемую поверхность. Воздух из компрессора через масловлагоотделитель подается к краскораспылителю под давлением 0,3...0,7 МПа. С помощью регулятора давления в нагнетательном баке устанавливается давление 0,15...0,20 МПа [42,49, 83].
Недостатками пневматического распыления эмали являются: высокий расход материалов вследствие потерь на туманообразование; необходимость в специальных окрасочных камерах с приточно-вытяжной вентиляцией и в высококвалифицированных рабочих.
Эффективным процессом является окраска распыливанием подогретых эмалей. В этом случае к оборудованию для распыления красок добавляется еще подогреватель. Краска от нагнетательного бака проходит через подогреватель и имеет температуру на выходе из краскораспылителя 50...60С[127].
Безвоздушное распыливание лакокрасочных материалов осуществляется в результате резкого изменения давления краски, находящейся в системе под высоким давлением, при выходе её из краскораспылителя специальной конструкции в атмосферу. При выходе краски из сопла краскораспылителя давление падает до атмосферного, и растворитель мгновенно испаряется. Так как процесс сопровождается значительным расширением, то это способствует измельчению эмали.
При нанесении покрытий безвоздушным распылением краска подается к соплу от гидравлического насоса под давлением 4,0...6,0 МПа при температуре 70...100 С. Применение окрасочных аппаратов безвоздушного распыления требует более тонкого помола лакокрасочного материала [42].
Окраска деталей в электростатическом поле в последние годы получило широкое распространение. Сущность процесса состоит в том, что электрическое поле высокого напряжения создается между деталями, движущимися по заземленному конвейеру, и краскораспыляющим устройством, на которое подается высокий электрический потенциал. Частицы краски, получая отрицательный заряд, притягиваются к положительно заряженной детали и осаждаются равномерным слоем[42].
Распыление краски в электростатическом поле может осуществляться двумя способами: пневматическими распылителями с установкой электродной корронирующей сетки между распылителем и окрашиваемой поверхностью; специальными быстровращающимися электростатическими распылителями. При применении пневматических распылителей не достигается полное осаждение частиц краски на детали, поскольку краскораспылитель расположен на некотором расстоянии от корронирующей зоны, и часть краски, не получившая электрического заряда, теряется. Для полного осаждения лакокрасочного материала на окрашиваемую поверхность сообщают заряд высокого напряжения непосредственно краске и распыляют её с помощью электростатических распылителей.
Определение оптимальных режимов отверждения порошковых лакокрасочных материалов терморадиационным способом
Для процесса отверждения покрытия имеют большое значение те части лучистого потока, которые на рисунке отмечены буквами а, б, в.
Обозначим суммарную плотность энергии, переносимой этими тремя составляющими, через EQ, а начало координат выберем на границе обоих слоев. Пусть коэффициент отражения материала подложки равен R. Тогда можно показать, что количество лучистой энергии, адсорбируемой участком слоя от границы раздела до произвольного сечения х, определится выражением: [9,126] Е = Е0-[е-тх)-е-щ+Ке (\-е-ь)]. (2.1) где к — коэффициент экстинкции (ослабления) монохроматического излучения; І2 - толщина слоя лакокрасочного материала.
Следует отметить, что в основу вывода формулы (2.1) положено допущение о применимости в данном случае закона Ламберта—Бугера. Из этой формулы видно, что при неизменной величине поглощающего слоя количество адсорбируемой лучистой энергии будет тем меньше, чем больше коэффициент экстинкции. При достаточно большой величине к практически вся лучистая энергия поглотится в поверхностном слое лакокрасочного материала, а доля лучистой энергии, обозначенная на рисунке 2.1 буквами б и в, будет мала. Это приведет к тому, что наибольшее выделение тепла будет происходить в поверхностном слое: выход паров воздуха из более глубоко расположенных слоев будет затруднен, в результате чего на поверхности получившегося покрытия возникнут трещины и пузыри. Если же коэффициент экстинкции не очень велик, то лучистая энергия б, поглощенная подложкой, начнет нагревать последнюю, а подложка в свою очередь часть поглощенного ею тепла будет передавать путем теплопроводности примыкающему к ней слою лакокрасочного материала, при этом слой лакокрасочного покрытия, помимо адсорбированного падающего и отраженного излучений, начнет прогреваться изнутри теплом, получаемым от подложки.
Таким образом, могут создаться условия, при которых глубинные слои ЛКМ будут получать больше тепла, чем наружные, и испарение воздуха и затвердевание лакокрасочного материала будет происходить изнутри наружу, обеспечивая тем самым получение высококачественной пленки. Иными словами, для выбора оптимальных условий отверждения порошковых ЛКМ важно знать температурное поле внутри слоя лакокрасочного материала, а также в подложке, на которую он нанесён. Оптимальным режимом отверждения покрытия следует считать такое распределение температуры, при которой максимум последней находится на границе обоих слоев.
При математической постановке задачи о нахождении температурного поля пренебрежем тем обстоятельством, что по мере отверждения слоя лакокрасочного материла, толщина последнего будет уменьшаться.
При указанных допущениях дело сводится к решению задачи о нахождении нестационарного температурного поля в двухслойной среде с внутренним источником тепла, интенсивность которого определится с учетом (2.1) по формуле: а = — Je- - + Re- !. (2.2) dx Сформулируем краевые условия для поставленной задачи.
1. В начальный момент времени температуры по сечению слоя порошка и подложки постоянны и равны f#.
2. В любой момент времени т 0 температуры обоих слоев на границе их соприкосновения одинаковы.
3. Адсорбируемый поверхностным слоем подложки лучистый поток, определяемый выражением E0(l-R)e k 2, трансформируемое в тепло, отводимое через слой лакокрасочного материала и подложку.
4. Теплообмен со стороны слоя лакокрасочного материала и со стороны подложки с окружающим воздухом, сохраняющим в течение всего процесса постоянную температуру /а происходит путем конвекции.
Исследование влияния способа отверждения порошковых красок на адгезию
При попадании на лакокрасочную плёнку инфракрасного излучения, ей передаётся лучистая энергия, которая частично поглощается, частично отражается и частично проходит сквозь лакокрасочный материал [94].
В зависимости от природы поверхности и температуры нагрева спектральная характеристика излучения различных тел неодинакова [117].
Применение инфракрасных излучателей «светлого» типа при одинаковой скорости формирования покрытия вызывает меньший нагрев подложки, чем при использовании «тёмных» излучателей [9].
В соответствии с методиками, изложенными в работах [101], в данной серии экспериментов в качестве нагревательного элемента применялись лампы инфракрасного излучения. Применение инфракрасного излучения в качестве способа отверждения покрытий из порошковой краски обусловлено необходимостью снижения температуры нагрева подложки. Если при конвективном способе отверждения происходит нагрев до заданной температуры всего изделия, то при терморадиационном нагреве наблюдается повышение температуры только в месте приложения инфракрасного излучения.
Первоначальный эксперимент с терморадиационным отверждением проводился при установке источника инфракрасного излучения на расстоянии 150 мм от отверждаемой поверхности. Время отверждения приняли 30 минут. В, последствии время отверждения увеличивали, не изменяя при этом расстояния между излучателем и отверждаемой поверхностью. При этом наблюдалось повышение степени адгезии образцов при увеличении времени отверждения.
Сопоставление результатов опытов проводимых с образцами красного цвета показывает, что с увеличением времени терморадиационного отверждения степень адгезии образцов повышается от степени адгезии в балла (рисунок 4.21) до наивысшей степени адгезии (1 балл) (рисунок 4.23). Разница в степенях адгезии можно объяснить недостаточной температурой отверждения покрытия на границе раздела слоя лакокрасочного материла и подложки при отверждении в течение 40 и 50 минут, что приводит к неполному протеканию процесса отверждения лакокрасочного покрытия и соответственно к низкой степени адгезии (4 балла) (рисунки 4.21 и 4.22). Степень адгезии образца (1 балл) отверждённого в течение 60 минут свидетельствует о полноте протекания процесса отверждения.
При изменении цвета наносимого покрытия зависимость изменения степени адгезии от времени отверждения сохраняется. Для подтверждения этого были проведены аналогичные исследования для образцов окрашенных в белый цвет.
На основании теоретических исследований было установлено, что на ход процесса терморадиационного отверждения покрытий влияют оптические свойства отверждаемых покрытий. Данное утверждение подтвердилось при проведении экспериментальных исследований.
При отверждении покрытий методом терморадиационного нагрева была отмечена зависимость степени адгезии образцов от цвета наносимого покрытия. Это наглядно представлено на рисунке 4.28. На данном рисунке представлены степени адгезии образцов различного цвета при терморадиационном отверждении в течение 40 минут.
Это можно объяснить тем, что степень восприятия лакокрасочными материалами лучистой энергии с различной длиной волны неодинакова, соответственно различен и эффект её действия при отверждении.
Диаграмма, приведённая на рисунке 4.35, показывает разность в поглощательных способностях лакокрасочных материалов различных цветов, которая сказывается на времени начала сплавления порошковых красок, так материал, имеющий высокую поглощательную способность имеет небольшое время начало сплавления от момента включения излучателя.
С увеличением времени отверждения данная зависимость сохраняется. Это можно проследить на изменении температуры нагрева подложки при отверждении образцов различных цветов.
На рисунке 4.36 представлена зависимость температуры нагрева подложки в зависимости от времени отверждения. На рисунке видно как различаются температура нагрева подложки у материалов с различным цветом нанесённого лакокрасочного покрытия.
