Терморадиационный способ. 
Химия и технология лакокрасочных покрытий

Терморадиационный способ используют в промышленности с 30-х годов. В настоящее время он является одним из основных способов отверждения покрытий. Достоинства: высокая эффективность, простота и компактность оборудования.

Основы способа. Принцип отверждения основан на использовании лучистой энергии, испускаемой нагретыми телами (лампы накаливания, металлические и керамические плиты, спирали, газовые горелки и др.).

По закону смешения Вина длина волны, соответствующая максимуму интенсивности излучения, лmax зависит от абсолютной температуры:

лmax = 2998 / Т. (9.4).

Общее количество энергии (МДж/ч), излучаемой нагретым телом, вычисляют по формуле Стефана-Больцмана.

Q = 20,6−10−8 € FT4, (9.5).

где € - степень черноты;

F — поверхность излучения.

В зависимости от природы поверхности и температуры нагрева спектральная характеристика излучения различных тел неодинакова. Так, максимум интенсивности ИК-излучения лампы № С—2 (зеркальная для сушки) — 1200 нм, а чугунной плиты (Т- 650 К) — 4500 нм.

Для ламповых (или «светлых») излучателей коротковолновое излучение с л = 760−2500 нм считается светлым. В отличие от него, излучение с л = 3500−4500 нм называют темным. Источником его являются тела с температурой нагрева 650−720 К («темные» излучатели).

Степень восприятия лакокрасочными материалами лучистой энергии с различной длиной волны неодинакова, соответственно, различен и эффект ее действия при отверждении.

Непигментированные жидкие лакокрасочные материалы, как и твердые покрытия в слоях толщиной до 50 мкм, достаточно проницаемы для ИК-лучей, при этом проницаемость уменьшается с увеличением длины волны. Эта закономерность сохраняется и для порошковых материалов, но относительная прозрачность порошков из-за большой рассеивающей способности во всем диапазоне длин волн намного меньше, чем жидких материалов. По мере формирования покрытий проницаемость порошковых пленкообразователей для ИКлучей резко возрастает.

Оптические характеристики пигментированных покрытий, особенно отражательная способность, могут изменяться в зависимости от вида пигмента, что сказывается на скорости формирования покрытий при лучистом нагреве. Так как пленка поглощает и отражает только часть лучистой энергии, то остальная ее доля попадает на подложку и, изменяя спектральные характеристики ИКизлучения и оптические свойства лакокрасочного материала и подложки, можно регулировать нагрев пленки, подложки или пленки и подложки одновременно. На практике чаще используется второй и третий варианты.

На рис. 9.5 приведены данные по эффективности светлого и темного излучений при формировании покрытий из жидкой или порошковой красок. В первом случае эффективность оцениваем по скорости нагрева подложки и твердости покрытий, во втором — по светопропусканию слоя порошка. Проникающая способность светлого излучения выше, чем темного, что проявляется в большой скорости формирования покрытия из порошковой краски.

Скорость теплопередачи и, соответственно, скорость сушки возрастают при введении в состав пленки теплопроводных пигментов и наполнителей, особенно порошков металлов — цинка (покрытия «Цинкромет») и др., при любых видах излучения.

С технической точки зрения (более низкие температуры, удобство эксплуатации) для отверждения покрытий предпочтительнее темные излучатели.

На ИК-отверждение покрытий оказывают влияние масса и теплофизические свойства материала подложки, мощность излучателя, его рассеяние от окрашенной поверхности и т. д. Следует отметить, что на толстостенных массивных подложках с большой теплопроводностью покрытия формируются медленнее, чем на тонкостенных с малой теплопроводностью (рис. 9.6).

С увеличением мощности излучателя N длительность отверждения т сокращается, а с увеличением расстояния от него до изделия l растет. Это показано на примере пентафталевой эмали ПФ-115:

l, м 100 200 300 500.

т, мин 3 6 10 36.

В современных установках для отверждения покрытий принимают N = 1 -8 кВт/м2, а / = 150−300 нм.

Отличия терморадиационного способа отверждения покрытий от конвективного:

• 1) существенно ускоряется подвод теплоты к изделию, в результате резко сокращается стадия подъема температуры окрашенного изделия;
• 2) нагревание слоя лакокрасочного материала происходит не снаружи, а изнутри, от подложки. Это благоприятствует выходу летучих продуктов из пленки.

В результате существенно (в 2−10 раз) ускоряется процесс формирования покрытий при конвективном нагреве по сравнению с терморадиационным.

Несмотря на то что ИК-лучи не инициируют химических реакций отверждения, наибольший эффект от их использования достигается при получении покрытий из термопревращаемых пленкообразователей; ИК-нагрев, как правило, не применяется в случае быстросохнущих лакокрасочных материалов (эфироцеллюлозных, виниловых, полиакрилатных и др.).

Продолжительность формирования покрытий ф при терморадиационном способе определяют с помощью номограмм или по следующей формуле с учетом температуры t и твердости покрытия H:

ф=10aHbtc, (9.6).

где a, b и с — постоянные, зависящие от природы лакокрасочного материала.

Аппаратурное оформление. Для отверждения покрытий под действием ИК-излучения используются сушильные камеры непрерывного и периодического действия и щитовые передвижные или стационарные установки. Термоноситель в них — электроэнергия или природный газ.

Используют также терморадиационные и терморадиационно-конвективные камеры. Последние более применимы для изделий сложной конфигурации.

Источники ИК-излучения: панельный и рефлекторный (трубчатый) генераторы, например типа НВСЖ, с температурой нагрева 350−400 °С (темные излучатели) и кварцевоиодные лампы КИ, НИК и др. (светлые излучатели). В газовых сушильных камерах излучающим элементом являются стальные панели. Они нагреваются топочными газами до 350−400 °С.

Типовая сушильная камера непрерывного действия — это сварной туннель, состоящий из входного и выходного тамбуров, нескольких излучающих (рабочих) секций и вентиляционного центра (рис. 9.7). Температура в электротерморадиационных камерах поддерживается путем изменения мощности нагревательных панелей, в камерах с газовым нагревом — изменением объема газа, подаваемого к горелкам. Расход электроэнергии на 1 м² поверхности готового покрытия составляет 1,8−5,4 МДж, газа — 0,07−0,12 м³.

Рис. 9.7. Схема электротерморадиационной камеры: 1 — вентилятор; 2 — воздушная завеса; 3 — корпус камеры;

4 — рабочая зона; 5 — излучатель; 6 — тамбуры; 7 — конвейер; 8 — изделие Пути интенсификации процесса ИК-отверждения покрытий и снижения энергозатрат:

применение установок с более высокой удельной мощностью (повышение мощности в 2 раза приводит к снижению удельного энергопотребления в 6−8 раз);

сочетание излучения с разной длиной волны и конвективным энергоподводом;

использование когерентного (лазерного) излучения с длиной волны, находящейся в резонансе с колебаниями групп пленкообразователя.