Дипломная (вкр): Разработка технологии для окраски деталей троллейбуса порошковыми полимерными материалами

Способ газопламенного напыления заключается в том, что струя воздуха со взвешенными в ней частицами порошкового материала пропускается через пламя газовой горелки. Длительность контакта порошка с горячими газами невелика и составляет сотые и тысячные доли секунды. Однако за это время частицы полимера успевают нагреться до 120-150°С и выше и перейти в пластическое состояние, при котором возможна их коалисценция на нагретой поверхности изделия. В зависимости от требований к покрытию и характера напыляемого материала можно наносить один или несколько слоев, а общая толщина покрытия может колебаться от долей миллиметра до нескольких миллиметров. Способ газопламенного напыления пригоден для нанесения полимеров на крупногабаритные изделия, причем покрытия даже из инертных полимеров, например полиэтилена, отличаются хорошей адгезией. Однако слишком высокая температура пламени (до 1500°С) при неустойчивом режиме вызывает деструкцию полимера, что приводит к значительному ухудшению качества покрытий.

По этой же причине очень трудно получать декоративные покрытия. Газопламенное напыление применяется в основном для заделки раковин, облицовки сварных швов, уплотнения соединений, герметизации изделий. В частности, этот способ широко применяется при выравнивании поверхности кабин грузовых и кузовов легковых автомобилей и деталей оперения от следов сварных швов, вмятин, волнистости и других дефектов. Большого внимания заслуживает использование способа газопламенного напыления для покрытия химического оборудования: емкостей для хранения агрессивных жидкостей, мешалок, гальванических ванн, а также ящиков аккумуляторов, вентиляторов, трубопроводов, деталей насосов и т. д [13].

1 - деталь; 2 - распылительная горелка; 3 - редуктор

сжатого воздуха; 4 - питательный бачок; 5 - баллон с ацетиленом

Плазменное напыление порошковых полимерных материалов

Сущность плазменного напыления заключается в том, что в высокотемпературную плазменную струю подается распыляемый материал, который нагревается, плавится и в виде двухфазного потока направляется на подложку. При ударе и деформации происходит взаимодействие частиц с поверхностью основы или между собой с формированием покрытия (рисунок 4).

С физико-химических и теплофизических позиций предпосылками возможного распыления полимера с помощью низкотемпературной плазменной струи и создания композиционных материалов и покрытий являются следующие: низкая тепло- и температуропроводность полимера, обуславливающая невысокие скорости теплообмена между частицами полимера и плазменной струей; кратковременность (10^-3-10^-4 с) воздействия высоких температур на полимер, не позволяющая при низкой теплопроводности материала достичь перегрева частиц определенной степени дисперсности; повышение термостабильности полимера при высокоскоростном нагреве; возможность конструктивного обеспечения оптимального ввода полимера в низкотемпературную плазменную струю и управление процессом, а также специфика механизмов протекания различных физико-химических явлений в полимерах в экстремальных условиях.

До недавнего времени считалось нецелесообразным и маловероятным применение плазменной струи для создания покрытий распылением полимеров по причине "порчи" материала. Практика и результаты исследований опровергли эти доводы.

Плазменная струя может быть использована для активации поверхности изделия, плавления частиц, их модифицирования, монолитизации нанесенного слоя, получения многослойных и композиционных покрытий.

-ввод плазмообразующего газа; 2-водяное охлаждение; 3-катод плазмотрона; 4-электроизоляционный блок; 5-анод плазмотрона; 6-ввод напыляемого порошка; 7-плазменная струя с нагретым порошком; 8-покрытие; 9-напыляемое изделие.

Рисунок 4 - Схема плазменного процесса

Структура полимерного слоя, сформированного плазменной струей на металле, отличается однородностью, мелкозернистостью, и более высокой степенью кристалличности и плотности упаковки.

Плазменная технология применима для "высоковязких" фторопластов, переработка которых традиционными способами в ряде случаев вообще исключена вследствие ограниченного перехода полимера в вязкотекучее состояние.

Плазменная струя позволяет обеспечить высокую и стабильную адгезию на границе статического контакта металл-полимер и низкую на границе динамического контакта, например, в узлах трения. Упрочнение адгезионного контакта достигается за счет вовлечения плазмой многочисленных компонентов адгезионного взамодействия. Усиливается роль реологических факторов, химического взаимодействия компонентов вследствие активации контактирующих поверхностей, появление различных функциональных групп.

Значительный технический и экономический эффект в борьбе с коррозией достигается при защите металлов с помощью плазменных полимерных покрытий. Для таких покрытий, имеющих высокую адгезионную прочность к металлу, толщина пленки не играет существенной роли. Нередко тонкие, но сплошные покрытия защищают металл также эффективно, как и толстые.

Напыление с помощью низкотемпературной плазмы по сравнению с другими методами позволяет:

-сократить длительность технологического процесса, так как осаждение и оплавление покрытия происходит одновременно;

- наносить покрытия на листовые материалы, на изделия и конструкции больших размеров, сложной формы;

- покрывать изделия из самых разнообразных материалов, включая материалы, не терпящие термообработки в печи (стекло, фарфор, дерево,

ткань, бумага) ;

- обеспечить равномерное покрытие как на большой площади, так и на ограниченных участках больших изделий, тогда как нанесение покрытий погружением в расплав, электростатическое осаждение, диффузионное насыщение и другие методы могут быть использованы, в основном, для деталей, размеры которых не превышают рабочих объемов используемых для этих целей ванн или нагревательных устройств;

- значительно увеличить размеры детали (восстановление и ремонт изношенных деталей). Этим методом можно наносить слои толщиной в несколько миллиметров;

- использовать для напыления различные материалы: металлы, сплавы, оксиды, карбиды, нитриды, бориды, пластмассы и их различные комбинации; наносить их в несколько слоев, что позволяет получать покрытия со специальными характеристиками;

- улучшить качество покрытий. Они получаются более равномерными, стабильными и с хорошим сцеплением с поверхностью детали, при этом основа, на которую производится напыление, мало деформируется, тогда как при других методах нанесения покрытий необходимо нагревать до высокой температуры всю деталь, что часто приводит к ее деформации;

- обеспечить высокую производительность технологического процесса нанесения покрытия. Сам процесс характеризуется относительно небольшой трудоемкостью, легко механизируется и автоматизируется;

К основным недостаткам метода нанесения покрытий плазменным напылением можно отнести высокий шум, ультра-фиалетововое излучение, образование вредных для здоровья работающих соединений напыляемого материала с воздухом.

Для получения плазмы используются различные генераторы низкотемпературной плазмы, выбор которых для проведения данного технологического процесса определяется термодинамическими и кинетическими особенностями последнего [11].

2. Объекты и методы исследования

.1 Исследуемые материалы и образцы

В исследованиях использовались порошковая эпоксидно-полиэфирная краска (ЭПК-202) и эмаль алкидная (COLOMIX 1025).

ЭПК-202 - порошковая эпоксидно-полиэфирная краска марки ЭПК-202 предназначена для получения защитно-декоративных покрытий на различных металлоизделиях, особенно для товаров народного потребления (холодильников, стиральных машин, торгового оборудования и т. д.). Белые покрытия на основе красок ЭПК-202 устойчивы к пожелтению при отверждении в условиях повышенных температур (200-220 °С). Краска ЭПК-202 предназначена для  электро- и трибостатического напыления. Срок службы покрытий на основе краски ЭПК-202, эксплуатируемых внутри помещений не менее -10 лет, в атмосферных условиях-не менее 3 лет. Производитель Россия.

Colomix 1025 - органорастворимая алкидная однокомпонентная краска применяется для окончательной защиты легковых автомобилей других металлических и пластмассовых деталей. Состав: среднемасленная алкидная смола, светостойкие и атмосферостойкие пигменты. В настоящее время ей окрашивают детали троллейбусов. Производитель Словакия.

Основные характеристики красок приведены в таблице 15.

Таблица 8 - Характеристики красок

2.2 Оборудование для нанесения покрытий

Покрытия наносили с помощью лабораторного универсального оборудования для получения покрытий, техническая характеристика которого приведена в таблице 9.

Таблица 9 - Техническая характеристика ППУО

При нанесении использовали электростатический распылитель порошка РПЭ. Работа распылителя основана на дозированной подаче порошка из аппарата псевдоожижения в канал ствола. Частицы диэлектрического материала, проходя через коронатор, пронизывают электростатическое поле, возникающее между его острыми кромками и заземленным изделием, и приобретают электрический заряд, что позволяет им осаждаться тонким плотным слоем на покрываемой поверхности. Технические характеристики РПЭ представлены в таблице 16.

Таблица 10 - Технические характеристики электростатического распылителя порошка

Распылитель электростатический для нанесения порошковых полимерных покрытий представлен на рисунке 5.

- коронатор-рассекатель; 2 - насадка головная; 3 - ствол; 4 - винты крепежные; 5 - корпус; 6 - держатель; 7 - винты крепления рукоятки; 8 - винты декоративных накладок; 9 - рукоятка; 10 - накладка декоративная; 11 - штуцер; 12 - кембрик; 13 - провод высоковольтный; 14 - гайка накидная; 15 - штекер; 16 - провод управления;17 - разъем провода управления; 18 - курок.

Рисунок 5 - Общий вид и основные функциональные элементы РПЭ

2.3 Методы исследования физико-механических, триботехнических и защитных свойств покрытий

Физико-механические свойства

Прочность адгезионных соединений определяли методом нормального отрыва "грибков". Метод заключается в равномерном отрыве покрытия, нанесенного на торец образца с контробразцом. Испытания проводили на образцах, имеющих цилиндрическую форму диаметром 20 мм и высотой 60 мм. Давление на образец при формировании адгезионного соединения равнялось массе контробразца (образцы находились в вертикальном положении) (рисунок 6). За счет специального центрирующего приспособления обеспечивалось совмещение осей испытываемого образца и контробразца.

Рисунок 6 - Схема испытания образцов на отрыв

Для определения адгезионной прочности использовалась разрывная машина ZDM-2.5/91 при скорости нагружения 5 мм/мин.

Адгезионную прочность, МПа при нормальном отрыве вычисляли по формуле 3

,    (3)

где F - разрывное усилие, Н;- площадь поперечного сечения образцов, мм².

Адгезионную прочность испытуемого покрытия определяют как среднее арифметическое результатов трех испытанных образцов.

Адгезионную прочность так же определяют методом решетчатых надрезов.

Метод решетчатых надрезов заключается в нанесении на готовое лакокрасочное покрытие решетчатых надрезов и визуальной оценке состояния покрытия по четырех балльной системе.

На каждом испытуемом участке поверхности образца на расстоянии от края не менее 10 мм делали режущим инструментом по линейке или шаблону или с помощью устройства АД-3 не менее шести параллельных надрезов до металла длиной не менее 20 мм на расстоянии 1, 2 или 3 мм друг от друга. Режущий инструмент держали перпендикулярно поверхности образца. Скорость резания должна быть от 20 до 40 мм/с. Аналогичным образом делают надрезы в перпендикулярном направлении. В результате на покрытии образуется решетка из квадратов одинакового размера.

Определение адгезии методом решетчатых надрезов выполнялось согласно ГОСТ 15140-78.

Приборы:

· лезвия бритвенные толщиной (0, 10 - 0, 13) мм или скальпель;

· линейка длиной 300 мм;

· щетка.

Перед каждым испытанием нового образца ЛКП бритвенное лезвие,

заменяли на новое, а скальпель затачивали. Для покрытий толщиной менее 60 мкм наносили решетку размером 1×1мм, для покрытий толщиной более 60 мкм - размером 2×2 мм.

На каждом испытуемом участке поверхности образца делали не менее пяти параллельных надрезов бритвенным лезвием или скальпелем по линейке на расстоянии 1 или 2 мм (в зависимости от толщины ЛКП) друг от друга и столько же аналогичных надрезов, перпендикулярных первым.

В результате на покрытии образуются решетки из квадратов одинакового размера (рисунок 7).

Рисунок 7 - Образец с решетчатым надрезом