Инфракрасная полимеризация порошковых красок: краткий обзор технологии
Инфракрасная полимеризация порошковых красок привлекает всё больше внимания благодаря укороченному времени нахождение детали в ИК печи и экономии рабочего пространства в окрасочном цеху в сравнении с традиционной конвекционной печью.
Немного теории
Инфракрасная энергия ─ это форма излучения, которая находится между видимым светом и микроволнами в электромагнитном спектре. Как и другие формы электромагнитной энергии, ИК-излучение распространяется в виде волн, и существует известная взаимосвязь между длиной волны, частотой и уровнем энергии. То есть энергия (температура) увеличивается по мере уменьшения длины волны (то есть справа налево на рисунке внизу).
В отличие от конвекции, которая, для передачи энергии на деталь, сначала нагревает воздух, ИК-энергия может быть поглощена непосредственно напылённой на металл порошковой краской. Она также может отражаться или передаваться на подложку (см. рис. выше). При правильном подборе окрасочного оборудования основным методом достижения полимеризации может стать либо поглощение тепла непосредственно порошком, либо передача тепла на порошковую краску от нагретой детали. Поскольку энергия является лучистой (т.е. распространяется в виде излучения), то ИК-отверждение имеет соответствующие ограничения. Окрашенная поверхность должна находиться в зоне прямой видимости от источника ИК излучения. Поскольку ИК энергия распространяется только по прямой линии и поглощается участками детали, обращенными непосредственно к источнику света. Ситуация напоминает освещение участка детали фонариком.
Так как металлы обладают превосходной теплопроводностью, часть энергии можно выборочно передать на подложку. Это приводит к отверждению покрытия и на скрытых участках благодаря явлению теплопроводимости. В результате можно достичь полимеризации порошковой краски, например, на внутренней поверхности стальной трубы. Кроме того, в некоторых случаях ИК-излучение может обеспечить определённую степень конвекционного нагрева, что также помогает достичь отверждения и без прямой видимости. ИК-системы обычно описываются как высоко-, средне- или низкоинтенсивные. Это относится к уровню энергии источника ИК:
- Высокоэнергетический (коротковолновый) ИК характеризуется излучением яркого видимого света. Большая часть энергии проходит через порошковую краску и поглощается подложкой. Поэтому этот тип отверждения лучше всего подходит для деталей сложной формы (нагрев без прямой видимости), где он используется для нагрева подложки. При использовании ИК-излучения высокой энергии достигают самую высокую скорость нагрева детали.
- При работе с порошковыми красками наиболее широко используется ИК-излучение средней энергии (средняя длина волны), поскольку энергия поглощается непосредственно напылёнными на деталь частицами краски. Этот тип печи лучше всего работает с простыми или симметричными деталями. Зачастую детали поворачивают для равномерного облучения всей поверхности. Кроме того, конфигурация печи должна соответствовать форме детали, например, потолочные и напольные ИК-излучатели помогают осветить верх и низ цилиндрических деталей.
- Низкоэнергетическое (длинноволновое) ИК-излучение непригодно для полимеризации порошковых красок. Большая часть генерируемой им энергии теряется при неэффективном конвекционном нагреве. Та часть ИК-энергии, которая все же достигает порошковой краски на детали, поглощается на поверхности частиц краски. Это приводит к образованию дефектов покрытия, связанных с плохой растекаемостью.
Контроль
Большинство источников ИК-излучения излучают энергию в определенном диапазоне, а не на одной длине волны или частоте. Ширина этого диапазона, называемая чистотой, может оказывать существенное влияние на процесс отверждения, поскольку определяет степень проникновения излучения. Некоторые системы управления допускают ограниченную степень настройки для контроля процесса полимеризации с помощью регулировки напряжения. В них может быть встроен оптический пирометр, показывающий температуру поверхности излучателя ИК, которая повышается с увеличением напряжения. Более сложные варианты комплектации линии порошковой окраски имеют контуры обратной связи через программируемые логические контроллеры.
Другой контрольной точкой является количество энергии, доступное на поверхности покрытия. Этот показатель известен как плотность мощности. Если плотность мощности слишком высока, покрытие будет обгорать и разрушаться на поверхности. Этот параметр можно регулировать, уменьшая количество излучателей или увеличивая расстояние между излучателем и деталью.
Оборудование
Инфракрасное излучение может генерироваться как электрическими, так и газовыми источниками. В случае электрического инфракрасного излучения вольфрамовая нить обычно обеспечивает короткую длину волны (при температуре её поверхности 1650-2200оС), а нихромовая нить ─ среднюю длину волны (при температуре 980-1100 оС). Нити накаливания обычно заключены в кварцевую трубку. Генераторы длинных волн работают при температуре поверхности 540-650 оС, и только 40-50% потребляемой ими электрической энергии преобразуется в ИК-излучение, а оставшаяся часть приводит к конвекционному нагреву. Лампы и нити накаливания образуют ИК-излучатель, который обычно оснащают каким-либо отражателем для фокусировки энергии. Стенки печи также могут служить в качестве дополнительного отражателя. Все они требуют обслуживания. Срок службы коротковолновых излучателей составляет около 5 000 часов при нормальных настройках напряжения, при более низких настройках срок службы увеличивается. Отражатели могут быть изготовлены из драгоценных металлов, таких как золото, для достижения оптимального отражения и чистоты ИК-излучения. Скопление пыли или грязи будет препятствовать работе системы.
В газовых ИК-печах используют пламя для нагрева керамического излучателя, который, в свою очередь, генерирует ИК-излучение. Также доступны «беспламенные системы», которые каталитически окисляют топливо. Газовый ИК-излучатель доступен только в диапазоне средних и длинных волн, а спектр излучения обычно шире, чем у электрического ИК-излучателя, но с меньшей чистотой диапазона. Газовый ИК часто используется в паре с газовой конвекционной печью для обеспечения более высокой скорости нагрева, чем может достичь только конвекционным способом нагрева.
Порошковые краски для ИК-отверждения
Порошковые краски, используемые в комбинированных ИК-конвективных системах или в системах с низкой и средней интенсивностью ИК-излучения, аналогичны порошкам, выбранным для конвективного отверждения. То есть, эти составы красок обычно предлагают сопоставимое время отверждения в диапазоне 8-20 минут. Быстроотверждаемые порошковые краски, например, 200 оС в течение 5 минут или менее, являются лучшими кандидатами для систем с высокой или высокой и средней интенсивностью ИК-излучения. Фактическое время пребывания перед излучателями в этом случае обычно составляет 30-90 секунд..
Поскольку порошковая краска обычно хорошо реагирует на быстрые скорости нагрева, ИК-излучение может дать некоторые преимущества в отношении внешнего вида готового изделия. Например, глянцевые покрытия могут иметь ещё больший блеск. К сожалению, порошковые краски с низким блеском могут реагировать так же, что усложняет прогнозирование уровня глянца. Пробные испытания или оперативная оценка лабораторных образцов помогут устранить эту неопределённость. При быстром отверждении также ограничена возможность растекаемости плёнки покрытия. Поэтому низкая вязкость расплава порошковой краски является важной характеристикой для преодоления эффекта т.н. «апельсиновой корки».
Цвет порошковой краски также может оказывать некоторое влияние на её полимеризацию. Чёрные покрытия, как правило, поглощают лучистую энергию быстрее, чем другие цвета. В то время как белые цвета сильнее отражают ИК излучение. Это означает необходимость регулировки рабочих настроек ИК печи для преодоления этих противоречий.
Преимущества и недостатки ИК печей
Порошковая окраска двухмерных деталей, таких как стальные заготовки и пластины выключателей, а также симметричных трёхмерных деталей, таких как масляные фильтры, корпуса ручек и трубки, являются одними из наиболее распространённых сфер применения ИК-излучения. В последних случаях детали могут вращаться для достижения равномерного распределения на их поверхности лучистой энергии. Другие области применения включают тяжёлые отливки, которые требуют длительного нагрева или очень высоких температур в конвекционной печи. Термочувствительные подложки, такие как пластмассы и композиты, также получают потенциальные преимущества от ИК-отверждения, поскольку нагревается только покрытие, а время пребывания в печи может быть достаточно коротким, чтобы предотвратить повреждение окрашиваемой детали.
В ИК печи не требуется интенсивный внутренний воздухообмен, характерный для конвекционных печей. В результате загрязнение пылью и грязью может быть сведено к минимуму. Отсутствие побочных продуктов сгорания в электрическом ИК-излучении также делает этот процесс более чистым.
Несмотря на потенциальные преимущества, при рассмотрении целесообразности использования ИК-отверждения на производстве необходимо также изучить множество проблем, связанных с ним. Первая из них заключается в том, что покрытие деталей сложной формы может быть трудно отверждать только в ИК-печах. ИК лучи распространяются прямолинейно и не поворачивают за углы без отражателя. Порошковая краска на скрытых внутренних поверхностях может не полимеризоваться без помощи теплопроводности подложки или конвекции.
Помимо формы детали в процесс полимеризации могут внести погрешности и состав, состояние подложки. Отдельные металлы по-разному поглощают ИК-энергию. Это свойство материалов известно как излучательная способность. Например, золото, обладающее очень низкой излучательной способностью, часто используется в качестве отражателя из-за его низкого поглощения. Хотя обычные подложки, такие как железо, сталь и алюминий, имеют излучательную способность в приблизительно одинаковом диапазоне, полировка поверхности может превратить каждую из них из хорошего поглотителя в отражатель.
Разница в массе деталей также может стать источником проблем. Порошковые краски, разработанные для отверждения за 60 секунд на стали 16 калибра, могут не обеспечить достаточную полимеризацию на деталях с удвоенной массой и сварных швах из-за эффекта теплоотведения. Это часто встречается, например, при порошковой окраске корпусов масляных фильтров. Тепловая энергия отводится от тонкой подложки, и ее остается недостаточно для отверждения покрытия.
ИК-печи могут быть зонированы для обеспечения большей мощности на этапе начального нагрева и меньшей мощности на этапе выравнивания или «удержания» температуры деталей. Некоторые системы окрасочного оборудования также позволяют включать и выключать отдельные излучатели для разных типов деталей. Эти переменные элементы управления обеспечивают максимальную гибкость при смешивании деталей на окрасочной линии. Быстрое включение/выключение позволяет предотвратить перепекание во время остановки линии, а также оперативно контролировать детали после регулировки линии.
Наиболее гибкие линии порошковой окраски с ИК печами обеспечивают степень контроля, которая фактически превосходит таковую в конвекционных печах. Если печь и порошковая краска правильно подобраны к детали, можно получить аналогичное «окно отверждения». Например, время выдержки в 120 секунд может не вызвать проблем для покрытия, рассчитанного на 60 секунд отверждения. Это тот самый 100-процентный перегрев, который обычно закладывается в покрытия, отверждаемые конвекцией. Настоящая проблема заключается в том, что абсолютное время в 60 секунд дает мало шансов успеть отреагировать на возникшую проблему. Это привело к мнению, что ИК-отверждение является менее щадящим способом полимеризации по сравнению с конвекционным нагревом.
Выводы
ИК-отверждение может быть правильным выбором для многих областей применения. Поставщики печей и окрасчики, которые знают и понимают все аспекты работы оборудования, лучше всего справятся со сложностями этих систем. Наибольшие шансы на успех имеют симметричные детали и простые конфигурации окрашиваемых изделий, не требующие изменений. Для большинства распространённых сфер применения ИК печей имеются проверенные порошковые краски, наиболее важной характеристикой которых является реактивность, соответствующая системе отверждения. Когда речь идет об ИК-технологиях, всегда необходимо проводить предварительные испытания, будь то установка нового оборудования или внедрение новой порошковой краски или запуск на линию окраски заказа с новой деталью.
По материалам зарубежной печати.