Разработка и исследование устройств для нанесения лакокрасочных покрытий на плоские жесткие поверхности

В промышленности и в быту широко используются лакокрасочные материалы (ЛКМ), способные выполнять защитные, декоративные и специальные функции, доступные только им.

Долговечность и надежность изделий во многом зависят от сохранности лакокрасочных покрытий, применяемых для защиты. Являясь основным средством защитно-декоративной отделки машин и механизмов (более 85%), поверхностей зданий и строительных конструкций (более 90%), именно лакокрасочные покрытия в большой мере определяют их товарный видг работоспособность и нередко стоимость, конкурентную и покупательную способность.

Плоские изделия типа зеркал, мебельных заготовок, облицовочных панелей и т. д. подвергаются окраске с получением защитного или декоративного покрытия. В большинстве массовых производств такие покрытия реализуются на линиях, в составе которых находятся устройства, обеспечивающие нанесение ЛКМ и его отверждение (сушку). Линии работают в непрерывном режиме с весьма высокой производительностью.

Однако с появлением и развитием малых производств, с возникновением потребностей в выпуске небольших партий изделий при их разнообразных типоразмерах такие высокопроизводительные линии оказываются или недоступными вследствие высокой стоимости, или малоэффективными. Поэтому нередко производители прибегают к полукустарным приемам и устройствам с большой долей ручного труда, что приводит к значительному расходу ЛКМ и растворителей.

В целях устранения таких затруднений в Воронежской государственной технологической академии была разработана компактная и универсальная установка для нанесения защитного слоя на плоские зеркала.

В связи с постоянным развитием технологий и методов нанесения ЛКМ, в лакокрасочной промышленности различают несколько групп способов нанесения жидких ЛКМ на поверхность материалов [93,94]: 5.

1) превращением их в аэрозоли с последующим осаждением и коагуляцией в тонком слое;

2) смачиванием поверхности (адсорбция);

3) отложением (осаждением) вещества из жидкой среды (раствора или дисперсии) при воздействии электрического тока или нагревания и т. д.;

4) адсорбцией из газовой или паровой фазы.

К первой, наиболее распространенной группе способов относятся: пневматическое, электростатическое, аэрозольное, гидравлическое (безвоздушное) распыление. Общим для всех этих способов является то, что жидкий ЛКМ предварительно диспергируется-превращается в состояние аэрозоля. От свойств аэрозоля и от того, насколько он полно осаждается и коагулирует на поверхность, зависит экономика и качество получаемых покрытий.

Вторую группу способов составляет окунание, облив, окраска валиками, в барабанах, кистями и другими ручными приспособлениями. Для их осуществления необходим прямой контакт твердой поверхности и жидкого лакокрасочного материала и возможно более полное взаимодействие (смачивание).

Третью группу представляют такие способы, как электрои автоосаждение и электрополимеризазия.

К четвертой группе относятся сравнительно новые способы: полимеризация в тлеющем разряде, инициированная полимеризация мономеров из паровой фазы. В этом случае, как и при электрополимеризации, процесс нанесения (осаждения) мономерного или олигомерного пленкообразующего вещества совмещается с процессом его химического превращения, приводящего к образованию готового покрытия.

Окунание и облив — наиболее простые способы. Их достоинство заключается в возможности нанесения покрытий достаточно хорошего качества при использовании несложного оборудования. Недостатками способов окунания и об-лива являются: неравномерность толщины покрытий по высоте изделий, невозможность окрашивания внутренних полостей, относительно большие потери 6.

ЛКМ, которые могут достигать 20%. Однако эти недостатки устраняются, если в качестве окрашиваемых изделий служат деревянные щиты, металлические листы, плоские габаритные зеркала, рулонные и другие материалы с плоской горизонтальной поверхностью. Именно при окраске таких изделий нашел наибольшее применение способ облива.

Способом окунания наносят одновременно на все поверхности изделия любые стабильные при хранении ЛКМ: битумные, глифталевые, пентафталевые и др., а при окрашивании мелких изделий также и нитроцеллюлозные лаки и эмали. Варианты окраски окунанием весьма разнообразны по аппаратурному и технологическому оформлению. Наибольшее применение окраска обливом приобрела в варианте струйного облива с выдержкой в парах растворителя. Потери красок по сравнению с окунанием уменьшаются на 10−15%, с пневматическим распылением на 25−30% [51]. Окраска обычно осуществляется в автоматическом режиме и наиболее эффективна в крупносерийном и массовом производстве, при использовании конвейера. Окраска наливом является разновидностью способа облива, при этом ЛКМ подается на плоские горизонтально перемещаемые изделия в строго дозированном количестве. Дозированием достигается подача именно такого количества ЛКМ на единицу поверхности, при котором происходит хорошее разравнивание, растекание слоя по поверхности. ЛКМ подают к изделию в виде плоской сплошной струи (завесы), перекрывающей всю ширину покрываемой поверхности. Изделие перемещают через завесу с постоянной скоростью, при этом образуется равномерный слой наносимого материала. Таким способом лакируют и окрашивают мебельные заготовки, древесностружечные плиты ДСП и ДВП, картон, фанеру, наносят защитные покрытия зеркал и др. Достоинством способа является высокая производительность, малые потери ЛКМ, возможность нанесения за один проход слоя толщиной до 300 мкм.

Достоинством является то, что нет принципиальных ограничений в нанесении любых жидких материалов, отличающихся по реологическим характеристикам. Окраска длинномерных изделий, имеющих постоянное поперечное сечение, мо7 жет быть осуществлена путем их протягивания через ванну с ЛКМ. Излишки материала удаляются ограничительными устройствами: пальцами, шайбами из резины, которые перекрывают вход и выход из ванны.

Таким способом лакируют провода, окрашивают трубы, карандаши и т. п. изделия. Этот способ достаточно экономичен, производителен, однако имеет большое ограничение по форме покрываемых изделий.

Плоские изделия можно окрашивать не только способом налива, распыления, но и с помощью валков. Он широко используются при нанесении печатных красок, отделки мебельных изделий, бумаги, картона, полимерных пленок, металлических лент и т. д. Его эффективность заключается в высокой производительности, возможности автоматизации.

Большинство ЛКМ, наносимых распылением, окунанием и обливом непригодны для нанесения этим способом.

Электроосаждение — способ нанесения покрытий, заключающийся в отложении ЛКМ в виде концентрированного осадка на поверхности изделий под воздействием постоянного электрического тока. Этот способ получил распространение в автомобильной промышленности при нанесении водоразбавляемых ЛКМ. Достоинство способа заключается в возможности покрывать изделия довольно сложной конфигурации, получать плотные покрытия равномерной толщины. Недостатками способа являются ограничения, связанные со спецификой применяемых ЛКМ, невозможность получения многослойных покрытий, сложность и большая стоимости оборудования. Способ может быть реализован как в периодическом, так и непрерывном режиме работы.

Удельный вес указанных способов в производстве составляет (в %) [94]: пневматическое распыление 70,0- электростатическое распыление 2,8- безвоздушное распыление 1,5- электроосаждение 0,1- окунание 0,2- струйный облив 1,0- ручные способы (окраска кистями и др.) 15,0- прочие способы 9.4.

Что касается расхода для различных способов нанесения ЛКМ, в соответствии с [51] имеют место следующие технологические потери ЛКМ (в % от норма.

8 тивного расхода): налив с помощью наливочных машин 3- ручные способы 10- распыление в электрическом поле 10- струйный облив 10- безвоздушное распыление 8−15- пневматическое распыление 20−50. Не менее важным, с экономической и экологической точек зрения, является рекуперация растворителей, содержание которых в готовых к применению ЛКМ составляет в среднем 50−60% .

Анализ приведенных выше данных убедительно свидетельствует о том, что наиболее распространенный метод (например, пневматическое распыление) не всегда оказывается экономически выгодным и обоснованным, особенно при использовании дорогостоящих ЛКМ.

В то время как способ нанесения ЛКМ методом налива является малоис-пользуемым вследствие его недостаточной изученности, а применяемое оборудование является либо устаревшим, либо малоэффективным. Поэтому встает вопрос аппаратурного оформления данного способа, так как его несомненное лидерство в экономии дорогих ЛКМ более чем очевидно.

В данной работе ставится задача научно-теоретического и экспериментального исследования нанесения тонких покрытий из ЛКМ и конструкторско-технологической разработки устройств для их реализации.

В этом случае более эффективные оказываются универсальные компактные установки циклического действия с облегченной и быстрой переналадкой на различные размеры изделий. Важнейшим элементом конструкции подобных линий является предложенное устройство нового типа для периодической выдачи завесы ЛКМ на подложку. 9.

ВЫВОДЫ.

1. Разработано новое устройство для выдачи плоской завесы ЛКМ в периодическом режиме, подтвержденное положительным решением ВНИИПГЭ на выдачу патента РФ.

2. Изучены условия и конструкции рабочих органов разработанного устройства, допускающих самоистечение ЛКМ на подложки. Установлено, что при ширине щели в диапазоне 0.0Д мм для всех опытных жидкостей гарантированы условия отсутствия самоистечения при высотах столба жидкости НсТ<30 мм.

3. Разработана методика расчета деформации плоской щеки и величины давления ЛКМ в емкости устройства для реализации заданных условий нанесения покрытий. Область значений стабильной ширины щели формующего канала соответствует приложенному давлению Рпр>0,07 МПа, для щели §<0,2 мм.

4. Исследован процесс формирования плоской завесы при ее одноосном растяжении под действием собственного веса.

Установлено, что интенсивность уменьшения толщины зависит от начальной скорости и от высоты ее падения. При высоких скоростях (уи=0,14 м/с) разрушение завесы наступает очень быстро — уже на расстоянии 6 мм от губок формующего канала, а при небольшой скорости (уи=0,02 м/с) только через 12 мм.

5. Определена закономерность распределения скоростей жидкости в плоской сплошной завесе для различных высот истечения ЛКМ. Установлено, что для получения стабильной и качественной завесы с изменением высоты падения струй необходимо стремиться к уменьшению начальной скорости истечения из формующего канала.

6. Определен оптимальный режим выдачи ЛКМ из формующего канала устройства и движения подложки. Установлены диапазоны скоростей перемещения подложки, при которых происходит качественное покрытие поверхности. Определено взаимоположение устройства для формирования завесы и подложки.

7. Смонтированы экспериментальные установки для исследования процессов самоистечения жидкости, отклонения упругодеформируемой щеки под действием избыточного давления, формирования плоской завесы ЛКМ и распределения жидкости на плоской жесткой подложке.

8. Получена методика расчета размеров основных элементов конструкции нового устройства для нанесения ЛКМ на плоские подложки. Произведена оценка качественного влияния геометрических размеров устройства на условия течения жидкости посредством параметра однородности течения. Установлено, что для изменения длины канала в интервале 3. 8 мм наблюдается плавное увеличение параметра однородности в диапазоне 0,985. 0,995.

9. Предложена инженерная методика расчета и конструирования линий для нанесения покрытий ЛКМ на плоские подложки в периодическом режиме.