Theoretical aspects of polymer coatings formation from elastomer solutions when infrared drying

Full Text

УДК 621.822.6.004.67:668.3:631.3.02 Теоретические аспекты формирования полимерных покрытий из растворов эластомеров при инфракрасной сушке д.т.н. проф. Ли Р.И., Сафонов В.Н. Липецкий государственный технический университет 8(4742)32-80-88, romanlee@list.ru Аннотация. Большой научный и практический интерес представляют исследования инфракрасной обработки нанесенных полимерных покрытий из раствора эластомера с целью снижения пористости и повышения качества покрытий. В статье предложен инфракрасный метод сушки полимерных покрытий из раство- ров эластомеров, нанесённых на отверстия в корпусной детали. На основе анализа литературных источников обоснован выбор оптимальной длины волны и наибо- лее подходящего типа излучателя. Показана эффективность двухступенчатой термической обработки по сравнению с традиционной одноступенчатой. Ключевые слова: корпусная деталь, эластомер, инфракрасное излучение, подшипник, покрытие, качество Введение Подавляющее большинство корпусных деталей выбраковывается при ремонте из-за из- носа посадочных отверстий под подшипники. Причиной изнашивания посадочных отверстий является фреттинг-коррозия. Фреттингостойкость отверстий при изготовлении корпусных деталей можно повысить различными способами упрочнения: нанесением гальванических композитных покрытий на основе хрома, микродуговым оксидированием, полимерными по- крытиями и др. [1-3]. Нанесение полимерных покрытий на поверхность отверстий позволяет значительно увеличить допуск при растачивании отверстий в процессе изготовления новых корпусных деталей в машиностроении, т.е. снизить стоимость, исключить появление фрет- тинг-коррозии, повысить ресурс неподвижных соединений подшипников и надежность ма- шины в процессе эксплуатации [1]. Для сушки полимерных покрытий используются три способа: конвективный, термора- диационный (инфракрасный) и комбинированный. Конвективную сушку проводят в специальных сушильных камерах или шкафах. Роль теплоносителя играет горячий воздух, который нагревает изделие полностью, даже если этого не требуется. В первую очередь происходит нагрев наружной поверхности покрытия, за- тем теплота постепенно проникает внутрь плёнки. Таким образом, процесс полимеризации начинается с поверхности раздела покрытие - газовая среда. Такой способ отверждения не является оптимальным. В период сушки, полимерное по- крытие переходит из жидкого состояния в твердое посредством удаления из него раствори- теля. Эти два состояния отличаются друг от друга тем, что, если вещество находится в жид- кой форме, то молекулы легко перемещаются друг относительно друга, в то время как в твердом веществе молекулы лишь слегка колеблются относительно своего неизменного по- ложения. Испарение молекул жидкости становится невозможным, если поверхность накрыта материалом, находящимся в твердом состоянии. Подсыхающий наружный слой полимерного покрытия находится в процессе перехода из жидкого состояния в твердое и он становится препятствием для выхода частиц раствори- теля, оставшегося во внутренних слоях (рисунок 1А). Для удаления растворителя из внут- ренних слоев покрытия требуется значительно больше времени и энергии, чем в том случае, когда концентрация растворителя в верхних слоях покрытия достаточно высокая. Для улуч- шения передачи теплоты применяют перемешивание нагретых газов, что приводит к допол- нительному потреблению энергии. При испарении растворителя из внутренних слоев покры- тия в наружном слое образуются многочисленные поры и различные дефекты поверхности, что негативно влияет на качество отвержденного покрытия. Рисунок 1. Процесс сушки при различных способах подвода тепла: А - конвективный способ сушки; Б - терморадиационный (инфракрасный) способ сушки При конвективной сушке время термической обработки и энергозатраты относительно велики. Изучив применяемые в настоящее время в промышленности способы сушки поли- мерных покрытий, для исследования сушки покрытий эластомера Ф-40, выбран терморадиа- ционный способ сушки инфракрасными лучами. При инфракрасной сушке нагрев изделий происходит излучением, которое проникает сквозь слои покрытия и поглощается, в основ- ном, металлом. Покрытие нагревается от металла, начиная с внутренних слоёв. Из-за возни- кающей разницы температур между внутренними слоями покрытия и наружными создается разница давлений, способствующая более быстрому выходу растворителя из слоёв покрытия (рисунок 1Б). Этот способ отличается компактностью установок, высокой скоростью сушки, низкими энергозатратами и себестоимостью. Способ обеспечивает более высокое качество покрытия за счет уменьшения количества и размеров дефектов поверхности. Применительно к лако- красочным покрытиям автомобилей терморадиационная сушка позволяет сократить продол- жительность сушки по сравнению с конвекционной в 2 - 5 раз [4]. Обоснование выбора типа излучателя и длины волны для сушки покрытий эластомера Ф-40 Инфракрасное излучение занимает область спектра от 7,5∙10-4 до 1 мм, находящуюся между видимыми и СВЧ-колебаниями. Источникам инфракрасного излучения являются нагретые тела, поэтому зачастую его называют тепловым излучением [5]. Применяемое для технических целей инфракрасное излучение делится на три группы, при этом определяющим фактором является длина волны: коротковолновая область λ= 0,8 - 2 мкм; средневолновая область λ= 2 - 4 мкм; длинноволновая область λ= 4 - 6 мкм. Для сушки лакокрасочных покрытий на конвейерах автомобильных производств при- меняются излучатели, работающие в средне- и длинноволновом диапазоне: от 3,5 до 5 мкм [6]. ОАО «АВТОВАЗ» использует двухэтапную сушку покрытий: на первом этапе окрашен- ный кузов автомобиля сушат при помощи длинноволновых панельных излучателей, на вто- ром этапе применяются средневолновые излучатели [7]. Степень восприятия инфракрасного излучения покрытием напрямую зависит от длины волны. С увеличением длины волны проницаемость лучей уменьшается [8]. Длинноволновое излучение обладает сравнительно малым коэффициентом экстинкции (проникающей спо- собностью). Коротковолновая область инфракрасного излучения обладает наивысшей температурой и наилучшей проникающей способностью. Но, в сравнении со средневолновыми излучате- лями, коротковолновые, при тех же габаритах и большей мощности, необходимо устанавли- вать на более короткое расстояние до нагреваемого объекта, что может привести к неравно- мерному прогреву деталей сложной формы и локальному перегреву отдельных областей по- крытия. Коротковолновые излучатели более чувствительны к цвету нагреваемого тела. Важным аспектом при выборе диапазона длин волн при сушке является состав покры- тий. Для покраски автомобилей, в основном, используют акриловые эмали. Их состав значи- тельно отличается от состава исследуемого эластомера Ф-40. Например, эмаль АК-142 ТУ 6- 21-05474337-51-95, применяемая для окраски рамок дверей и порогов легковых автомобилей представляет собой суспензию пигментов и наполнителей в растворе акрилового сополимера в растворителе №647 c добавлением нитроцеллюлозы и пластификаторов. Исследуемый эластомер Ф-40 имеет следующий состав: смола ФКУ (фенолоформальдегидная смола на основе замещенного фенола винилацети- леновой структуры) - 8 масс. %; каучук синтетический бутадиен-нитрильный марки СКН-40С - 12 масс. %; ацетон технический, ГОСТ 2768-84 - 80 масс. % [9]. Рисунок 2. Результаты исследования материала Ф-40 на спектрофотометре Для выбора рекомендуемого диапазона длин волн проведены экспериментальные ис- следования эластомера Ф-40 на спектрофотометре «Iraffinity-1». Исследования показали, что материал проницаем для средних и коротких длин волн. Как следует из рисунка 2 в длинно- волновой области эластомер Ф-40 имеет области поглощения. Источники инфракрасного излучения по типу делят на «светлые» и «темные». У «светлых» излучателей процесс горения происходит непосредственно на поверхности излу- чения. Процесс горения «темных» излучателей происходит в закрытом пространстве и они являются более безопасными, однако температура поверхности таких излучателей значи- тельно ниже и не превышает 750°С, т.е. они являются длинноволновыми. «Cветлые» электрические излучатели, работающие в средневолновой области инфра- красного спектра, являются наиболее пригодными для терморадиационной сушки полимер- ных покрытий из эластомеров в корпусных деталях автотракторной техники. Они обладают высокой скоростью нагрева, практически безинерционны, и просты в обслуживании. За счет рефлекторов, в которые устанавливаются лампы, рассеивание излучения сводится к мини- муму. Для проведения экспериментальных исследований создана экспериментальная уста- новка, показанная на рисунке 3. Она состоит из инфракрасных ламп QTS мощностью 750 Вт, работающих в средневолновом диапазоне и отражателей QTSR. Напротив установки устанавливается, либо подвешивается на штативе нагреваемый объект. Контроль температуры в ходе исследований проводится с помощью пирометра ADA TemPro 550. Рисунок 3. Экспериментальная установка: 1 - инфракрасный излучатель; 2 - нагреваемая деталь; 3 - штатив Дефекты покрытия могут возникать и по другим причинам. Пористость в полимерных покрытиях может возникать в процессе нанесения покрытия или вследствие недостаточного качества механической обработки поверхности подложки, приводящей к проникновению пу- зырей воздуха в структуру материала. Нагрев изделия выше температуры кипения ацетона (56°С) приводит к образованию пузырьков насыщенных паров растворителя. Для исключения возникновения пузырей рекомендуется разбить процесс сушки эла- стомера на 2 этапа. Первый этап заключается в непродолжительной (15 - 20 мин.) сушке по- крытия при температуре ниже температуры кипения ацетона, до полного выхода растворите- ля. Второй этап предлагается проводить при режимах сушки, рекомендуемых для наилучшей полимеризации эластомера. Выводы «Светлые» электрические излучатели, работающие в средневолновой области инфра- красного спектра, являются наиболее пригодными для терморадиационной сушки поли- мерных покрытий из растворов эластомеров в корпусных деталях автотракторной техни- ки. Представляет научный и практический интерес исследование деформационно- прочност- ных свойств покрытий эластомера Ф-40 и определение оптимального режима инфракрас- ной сушки. Сушку покрытий из раствора эластомера Ф-40 рекомендуется проводить в два этапа, так как это позволит избежать закипания ацетона и снизить пористость покрытия.

About the authors

R. I Li

Lipetsk State Technical University

Email: romanlee@list.ru
Dr.Eng., Prof.; +7 4742 32-80-88

V. N Safonov

Lipetsk State Technical University

+7 4742 32-80-88

References

Supplementary files