Порошковое окрашивание алюминия

Порошковое окрашивание является современным методом нанесения защитно-декоративного покрытия на поверхность, как готовых алюминиевых изделий, так и полуфабрикатов, таких как алюминиевые профили или листы.

Окрашивание, окраска или покраска?

Вместо термина «порошковое окрашивание» часто, особенно в сети Интернет, применяется сочетание «порошковая окраска». Согласно нормам русского языка слово «окрашивание» применяется для описания процесса нанесения краски. Слово «окраска»  обозначает, скорее, результат этого процесса и потому может быть синонимом слова «покрытие». Так, в  ГОСТ  9.072-77, который определяет термины для лакокрасочных покрытий, применяется только термин «окрашивание», а слово «окраска» вообще отсутствует. Более того, нередко в производственной среде применяется слово «порошковая покраска», что уж точно не укладывается ни в какие нормы.

Поэтому ниже мы будем придерживаться стандартизированного термина «порошковое окрашивание», а не более популярного выражения «порошковая окраска».

Порошковое окрашивание – сухая технология

Окрашивание жидкими красками требует применения растворителей, чтобы нанести органические составляющие краски на поверхность. Эти жидкие растворители обуславливают необходимость применения  на производстве оборудования по вентилированию, фильтрованию и улавливанию вредных для окружающей среды летучих органических веществ. Порошковое же окрашивание является принципиально сухой технологией, которая не применяет летучие органические вещества ни на одном своем этапе.

Технология порошкового окрашивания заключается в том, что мелкие частицы органических смол и красящих пигментов электростатически заряжаются и напыляются на поверхность изделия. Процесс напыления может производиться вручную или на автоматических горизонтальных и вертикальных окрасочных линиях. Металлические изделия, например, алюминиевые профили, которые подвергают окраске, заземляются и являются нейтральными. Поэтому заряженные частицы порошковой краски прилипают к их поверхности и удерживаются на ней, пока не расплавятся в печи полимеризации с образованием однородного, прочного и высококачественного покрытия.

Красить порошком дешевле

Обычно линии порошкового окрашивания включают эффективную систему рециркуляции и возврата напыляемого порошка на повторное использование. Поэтому общая эффективность использования порошка составляет 95-98 %. Смена цвета на линии порошкового окрашивания происходит довольно быстро. Около 99 % порошка, который напылялся, но не попал в готовое порошковое покрытие, возвращаются в цикл окрашивания и снова напыляются. Поэтому отходы краски линии порошкового окрашивания являются минимальными.

Современные линии порошкового окрашивания обеспечивают нанесение покрытий  в широком интервале цветов, блеска, текстур и толщин.

Два вида порошковых красок

Основными видами порошковых красок являются:

  • термопластичные и
  • термореактивные.

Термопластичные порошковые краски

Под воздействием нагрева термопластичные порошковые краски расплавляются и растекаются по поверхности в виде пленки. Эта пленка имеет тот же самый химический состав, который имел исходный порошок. Термопластичные порошковые покрытия основаны на термопластичных смолах с большим молекулярным весом. Эти смолы трудно измельчать в мелкие частицы и поэтому они обычно применяются для создания специальных толстых покрытий. Нанесение порошка на изделие обычно происходит во время его погружения в бак с ожиженным порошком. Ожижение порошка производят с помощью сжатого воздуха.

К этому виду порошков относятся полиэтиленовые, полипропиленовые, нейлоновые, поливинилхлоридные и некоторые другие.

Термопластичные порошковые краски не применяется для окрашивания массовой алюминиевой продукции, такой как прессованные алюминиевые профили или катаные алюминиевые листы.

Термореактивные порошковые краски

Термореактивные порошковые краски значительно отличаются от термопластичных. Они основаны на твердых смолах с малым молекулярным весом. Под воздействием нагрева термореактивные порошки плавятся, растекаются по поверхности и соединяются друг с другом в результате химических реакций с образованием высокомолекулярных органических соединений. Этот процесс называют полимеризацией.  Поэтому готовое порошковое покрытие имеет химический состав, который отличается от химического состава исходных смол в порошковой краске.

Материал готового покрытия из термореактивных порошковых красок является устойчивым к воздействию нагрева и не плавится до жидкого состояния. Термореактивные порошковые краски основаны на системах более твердых смол, которые могут измельчаться в мелкие частицы размером от 10 до 40 мкм или даже мельче. Эти смолы могут образовывать тонкие слои краски толщиной от 25 до 75 мкм, характеристики которых эквивалентны или даже выше, чем у покрытий на основе жидких красок.

При порошковом окрашивании алюминиевой продукции, в первую очередь профилей и листов, применяют именно термореактивные порошковые краски. Основными типами термореактивных порошковых красок, которые применяются для окрашивания алюминиевых изделий и полуфабрикатов, являются:

  • эпоксидные,
  • полиэфирные,
  • полиуретановые,
  • акриловые,
  • гибридные (смешанные).

Выбор типа порошковой краски зависит от вида алюминиевого изделия, его назначения, условий его эксплуатации и других факторов. Стандартными и наиболее популярными порошковыми красками являются полиэфирные краски.

Химическая подготовка поверхности алюминия

Для того, чтобы получить на поверхности алюминия хорошее порошковое покрытие, эту поверхность подвергают сложной технологии химической подготовки. Целью химической подготовки поверхности любого металла для порошкового окрашивания является:

  • Удаление с поверхности всех загрязнений, включая грязь, оксиды, смазки и масла
  • Создание поверхности для оптимальной адгезии порошкового покрытия
  • Достижение максимальной однородности по всей поверхности окрашиваемого изделия.

Технология химической подготовки поверхности алюминия обычно включает следующие этапы:

  • Обезжиривание в специальных моющих растворах
  • Тщательная промывка в чистой воде после всех химических рабочих операций
  • Травление в растворе на основе каустической соды в течение заданного времени и при заданной температуре
  • Обработка поверхности в растворе азотной или серной кислоты (осветление)
  • Обработка для создания хроматного конверсионного покрытия (или технически эквивалентного покрытия) для обеспечения хорошей адгезии порошкового покрытия
  • Окончательная промывка в деионизированной воде

Не будет преувеличением подчеркнуть, что только полное выполнение всех требований по подготовке поверхности алюминия дает возможность реализовать весь потенциал порошковой краски по созданию прочного и долговечного защитно-декоративного покрытия.

На малых линиях порошкового окрашивания обычно применяют горизонтальную химическую обработку профилей в последовательности рабочих и промывных ванн (рисунок 1). На крупных производствах применяют вертикальные системы обработки профилей, в которых рабочие растворы и промывочная вода подаются из системы спрейеров (рисунок 2).

1-vanny-ximicheskoy-podgotovkiРисунок 1 – Линия ванн химической подготовки
поверхности алюминиевых профилей [2]

2-vertikalnaya-obrabotka-profileyРисунок 2 – Вертикальная система порошкового окрашивания [2]

Нанесение порошковой краски

Алюминиевые изделия с подготовленной поверхностью, например, алюминиевые профили, подаются на линию порошкового окрашивания (рисунок 3). Первой стадией процесса порошкового окрашивания является нанесение порошка на поверхность изделия, например, алюминиевого профиля. Алюминиевый профиль входит в камеру электростатического напыления, в которой электрически заряженные частицы «прилипают» к поверхности профиля.

3-napylenie-poroska-profiliРисунок 3 – Напыление порошковой краски на алюминиевые профили [1]

Электрический заряд частицы порошка получают при прохождении через специальные пистолеты (рисунок 4). Весь порошок, который не успел или не смог «прилипнуть» к профилю, попадает в систему рециркуляции порошка и возвращается на повторное использование.

4-princip-elektrostaticheskogo-napyleniyaРисунок 4 – Принцип электростатического напыления порошковой краски [1]

Алюминиевые профили с нанесенным слоем порошка проходят далее по технологической цепочке в печь, которую называют печью полимеризации. В этой печи профили находятся в течение 15-20 минут при температуре от 160 до 210 ºС в зависимости от типа порошковой краски. Под воздействием нагрева частицы порошка размягчаются и образуют сплошное  равномерное покрытие. При этом полимерные соединения, из которых состоит порошок, подвергаются полимеризации с образованием новых химических связей.

После выхода из печи профилям дают время охладиться до комнатной температуры для контроля, упаковки и отгрузки.

Цвета шкалы RAL

Термореактивные порошковые краски доступны в широком диапазоне цветов. При порошковом окрашивании алюминия, в том числе, алюминиевых профилей, применяют международную шкалу цветов RAL (рисунок 5). RAL – это организация в Германии, которая занимается стандартизацией и сертификацией цветов красок и покрытий. Кроме цвета по шкале RAL обычно также задают степень блеска покрытия – матовый, полуматовый, блестящий. Матовые покрытия особенно популярны при порошковом окрашивании строительных изделий из алюминиевых профилей, например, окон и дверей, так они максимально скрывают дефекты прессования, такие как риски и царапины.

5-shkala-ralРисунок 5 – Пример международной шкалы цветов RAL

Алюминий для порошкового окрашивания

Уровень качества поверхности алюминиевых прессованных профилей и катанных алюминиевых листов в том состоянии, в котором они выходят с прессовой линии или прокатного стана, в принципе подходит для порошкового окрашивания. Однако, именно потому, что порошковые краски обладают хорошей текучестью, они только частично сглаживают несовершенства окрашиваемого металла. Поэтому важно, чтобы качество поверхности профилей и листов под порошковую окраску было не ниже определенного уровня по шероховатости и размерам дефектов, таким как царапины, риски, задиры или вмятины.

Типичными алюминиевыми сплавами, которые чаще всего подвергают порошковой окраске, являются сплавы 6060 и 6063, которые являются аналогами отечественного сплава АД31. Из этих сплавов изготавливают подавляющее большинство алюминиевых профилей. Кроме того, для изделий с повышенными прочностными свойствами применяют алюминиевые сплавы 6061 (АД33), 6082 (АД35) и 6005.

Алюминиевые листы из сплавов серий 1ххх, 3ххх и 5ххх также удовлетворительно окрашиваются порошковыми красками.

Алюминиевые литейные сплавы также могут окрашиваться порошковыми красками, однако в этом случае качество окрашенной поверхности в значительной степени зависит от качества самой алюминиевой отливки. Порошковое окрашивание отливок с высокой пористостью может приводить к образованию на поверхности покрытия пузырей. Эти пузыри образуются при выходе газов из отливки [1].

Проектировать профиль для порошкового окрашивания

Если алюминиевый профиль будет подвергаться порошковому окрашиванию, то кроме назначения стандартных характеристик, таких как тип порошковой краски, толщина покрытия, цвет и степень блеска, необходимо также продумать следующие вопросы, которые связаны с особенностями технологии порошкового окрашивания.

Видимые и значащие поверхности

На чертеже профиля (или другого изделия) должны быть обозначены видимые или значащие поверхности. Все требования по качеству порошкового покрытия предъявляются только к таким поверхностям.

Степень коррозийности среды

Информация о степени коррозионной активности среды, в которой будет работать окрашенное изделие, поможет правильному выбору типа порошковой краски.

Точки навешивания

Чтобы напылить на алюминиевый профиль порошковую краску, его нужно правильно подвесить на конвейер линии порошкового окрашивания. Для этого на профиле указывают места, на которых можно просверлить отверстия или установить заостренный контакт конвейера так, чтобы не повредить его видимые или значимые поверхности.

Дренаж химических растворов

Обычно химическая подготовка изделий (например, профилей) требует погружения их в ванны с рабочими растворами. Поэтому очень важно, чтобы профили при погружении в ванну не плавали на поверхности, а хорошо погружались в ванну. После извлечения из ванны они не должны содержать в себе остатков растворов или промывок. Если в полости изделия, например, алюминиевого профиля, останутся такие остатки влаги, то они могут закипеть в печи полимеризации. Это приведет к повреждению порошкового покрытия или даже аварии печи. В большинстве случае отверстий диаметром 6 мм достаточно для обеспечения полного дренажа остатков растворов и промывок.

«Клетка Фарадея»

Частицы порошковой краски прилипают к поверхности металлического изделия за счет электростатических сил. Однако в некоторых случаях может возникать явление, которое называют «клетка Фарадея» (рисунок 6). Это явление препятствует проникновению порошка в узкие пазы, щели или внутренние острые углы. Обычно для нормального окрашивания ширина такой щели должна быть больше, чем ее глубина.

6-kletka-faradeyaРисунок 6 – «Клетка Фарадея» [1]

Разнородные металлы

При порошковом окрашивании готовых изделий или сборочных единиц нужно избегать сочетания разнородных металлов. Разнородные металлы могут быть несовместимыми при химической подготовке или приводить к гальванической коррозии.

Массивные изделия

Массивные изделия требуют большей длительности цикла нагрева в печи полимеризации. Внешний вид и цвет изделий, окрашенных одной и той же порошковой краской может быть немного разным для алюминиевых изделий, которые значительно различаются по своей массе.

Защита порошкового покрытия

Хотя порошковое покрытие и является весьма плотным и прочным, тем не менее механические воздействия при перекладывании и транспортировании  окрашенных изделий могут вызывать на нем царапины или пятна. Конечно, чтобы исключить такие повреждения лучше всего применять бережное обращение с окрашенными изделиями, как при их механической обработке, так и при установке на строительной площадке. Тем не менее, для защиты готовых окрашенных изделий, чаще всего профилей, очень широко применяют специальные защитные полимерные пленки. Эти пленки должны быть с очень низкими клеящими свойствами, так как растворители, которые входят в состав клеящих составов могут химически воздействовать на порошковое покрытие. Перед применением того или другого типа защитной пленки для партии изделий необходимо проверить ее на совместимость с порошковым покрытием.

Источники:

  1. Powder Coater’s Manual by Roger Talbert, 1998
  2. Aluminium Extrusion Manual, 4th Edition, Aluminium Extrusion Council, 2014
  3. User’s Guide to Powder Coating, 4th Edition / N. Liberto, 2003