РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМ С АДГЕЗИЕЙ

Olga Lobanova

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМ С АДГЕЗИЕЙ

Статья об УФ-отверждаемых покрытиях для окрашивания пластиковых поверхностей. Ссылка на оригинал: https://drive.google.com/folderview?id=0B-3fT6r7JxoAT25tN1hERFRCUEU&usp=sharing

Химия

Статьи

Вуз: Независимое исследование (нет вуза)

ID: 56e5c1a05f1be74e7900006b

UUID: a396b180-d8bb-0133-a77c-525400003e20

Язык: Английский

Опубликовано: больше 8 лет назад

Просмотры: 57

11.14

Olga Lobanova

Комментировать 0

Рецензировать 0

Скачать - 0 байт

Поделиться работой

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМ С АДГЕЗИЕЙ С ПОМОЩЬЮ АТМОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЫ Пол Милз, Эндрю Стичер, компания Plasmatreat (США) УФ-отверждаемые покрытия становятся все более популярной альтернативой традиционным ЛКМ. По сравнению с термоотверждаемыми покрытиями УФ-покрытия обеспечивают ряд преимуществ производителям изделий из пластика, включая улучшенный внешний вид окрашенных деталей, высокую производительность и экологичность. Однако высокая скорость отверждения и наличие прочных поперечных связей может спровоцировать различные проблемы, связанные с адгезией. Существует несколько популярных методов борьбы с низкой адгезией в УФ-отверждаемых жидких и порошковых покрытиях. К примеру, использование атмосферной плазменной обработки. 58 Промышленные покрытия № 11-12 2015 © www.renner-ufa.ru ТЕХНОЛОГИИ УФ-ОТВЕРЖДАЕМЫЕ ПОРОШКОВЫЕ КРАСКИ

УФ-ОТВЕРЖДАЕМЫЕ ПОРОШКОВЫЕ КРАСКИ ТЕХНОЛОГИИ ФАКТЫ ИЗ ИСТОРИИ В начале 70-ых годов 20 века, когда УФотверждаемые покрытия развивались медленно, постепенное их использование в качестве финишных покрытий для различных материалов от деревянных полов и труб до оптических материалов и косметических пластиковых контейнеров. Сегодня УФпокрытия используются для окрашивания рассеивающих фар, пластиковых очков, но большая доля потребления приходится на сегмент электронных приборов. Успех УФпокрытий, как полагают специалисты, был обусловлен рядом факторов. БЫСТРЫЙ ПРОЦЕСС Во-первых, по сравнению с термоотверждением УФ-отверждение – это быстрый процесс. При наличии ультрафиолетового излучения УФ-составы отверждаются мгновенно, тогда как традиционные системы покрытий на водной основе или на основе растворителей требуют длительного времени и высоких температур. Эти недостатки традиционных систем делают УФ-отверждение востребованным методом в области графической печати, окраски оптических волокон, деревянных молдингов, отделочных панелей, в целом во всех областях, где в приоритете скорость формирования покрытий. Это преимущество скорости становится еще более впечатляющим в сравнении с традиционными термореактивными или УФ-отверждаемыми порошковыми покрытиями. После нанесения традиционные термореактивные порошковые покрытия также требуют много времени на отверждение, чтобы в итоге получилась гладкая сплошная пленка. Этот процесс расплавления важен для достижения высоких эстетических характеристик и эксплуатационных свойств покрытий. После спекания термореактивные порошковые покрытия также требуют длительного времени выдержки при высоких температурах, для сшивки полимера. В совокупности этот двухступенчатый процесс занимает, как правило, от 20 до 60 минут. УФ-отверждаемые порошковые покрытия, также используя тепловую энергию, все же сшиваются при УФ-излучении. ВЫСОКАЯ ПРОЧНОСТЬ Еще одним преимуществом, а вместе с тем и особенностью УФ-покрытий стала прочность поверхности пленки, и как следствие устойчивость к царапанию и другим механическим повреждениям. Именно эти свойства делают УФ-покрытие подходящими для нанесения на паркетные полы, оптические изделия, а также для CD и DVD, в тех сферах, где покрытия подвергаются наиболее частым механическим воздействиям. Прочность УФ-покрытий обусловлена высокой плотностью сшивки в целом у всех УФ-составов, в частности, в тех рецептурах, где используется мет(акрилат). Но высокая Рисунок 1. Плазменная обработка поверхности: влияние на изменение поверхностной энергии Поверхностная энергия полиуретана после плазменной обработки  70-80  60-70  50-60  40-50  30-40  20-30  10-20  0-10 Скорость, м/мин прочность поперечных связей, которая и обеспечивает покрытию твердую поверхность, имеет и недостатки. К примеру, физическая усадка покрытий тесно связана с высокой плотностью полимерных связей в УФ-пленках. Акриловые мономеры и олигомеры подвергаются сильной термоусадке, когда длинные Ван дер Вальсовы силы меняются на короткие ковалентные связи. Специалисты полагают, что усадка УФ-покрытий может достигать в отдельных случая 35 %. Усадка вызывает внутреннее напряжение в покрытии, что приводит к дефектам и размерным изменениям в покрытиях, и становится причиной снижения адгезии. БЕЗ РАСТВОРИТЕЛЕЙ Третья особенность УФ-отверждаемых жидких покрытий заключается в том, что вместо обычных органических растворителей УФ-формулы часто используют низкомолекулярные добавки, такие как мономеры или другие реакционноспособные разбавители. Они полностью испаряются в процессе отверждения, что иногда приводит к мысли, что УФ-покрытия – на 100 % чистые материалы. Эта особенность ни раз привлекала внимание регулирующих органов и экологически ориентированных производителей. Но в то время как ликвидация растворителей приводит к снижению опасных загрязнителей и содержания ЛОС, все же, удаление этих растворителей создает проблемы в достижении адгезии, поскольку именно растворители, помогают смачивать поверхность окрашиваемых деталей. Порошковые покрытия практически не выделяют ЛОС или другие опасные испарения, хотя и содержат растворители в составах. Однако большинство пользователей вынуждены затрачивать большие средства на предварительную химическую обработку окрашиваемых поверхностей для достижения требуемого уровня адгезии. Хуже всего то, что многие популярные пластмассы жесткие и их поверхности химически инертны. Таблица 1 содержит показатели сравнения поверхностной энергии у наиболее распространенных видов пластмасс с поверхностной энергией необходимой для достижения хорошей адгезии с различными видами покрытий. Заметно, что УФ-отверждаемые покрытия нуждаются в высокой поверхностной Промышленные покрытия № 11-12 2015 59

© www.european-coatings.com ТЕХНОЛОГИИ УФ-ОТВЕРЖДАЕМЫЕ ПОРОШКОВЫЕ КРАСКИ Сегодня УФ-отверждаемые покрытия активно используются в автопроме, в частности для окрашивания фар 60 Промышленные покрытия № 11-12 2015 40 30 20 | | | | | 50 | 60 | 70 | 80 10 | Сегодня существует ряд доступных методов, позволяющих увеличить адгезию покрытий с пластмассовыми подложками. Наиболее популярные: изменение составов покрытий путем добавления различных реагентов, изменение состава субстратов, использование дополнительных грунтовочных слоев, повышение поверхностной энергии у подложки с помощью обработки коронным разрядом, пламенем или плазмой. Нередко 90 0 | АДГЕЗИЯ С ПЛАСТИКАМИ Рисунок 2. Эффект от плазменной обработки (оценка по методу измерения угла контакта) Угол контакта энергии, нежели другие виды покрытий. УФ-покрытия обеспечивая дополнительные преимущества, также создают и трудности, связанные с адгезией. Характерное для УФ-составов наличие крепких поперечных связей приводит к сильному механическому напряжению в покрытиях, что зачастую осложняется отсутствием растворителей в краске. Все это делает работу, направленную на достижение необходимого уровня адгезии, еще более сложной. Поликарбонат Полиметилметакрилат

© www.staruppigment.com УФ-ОТВЕРЖДАЕМЫЕ ПОРОШКОВЫЕ КРАСКИ ТЕХНОЛОГИИ Растущий рынок пластиковых материалов стал приоритетным направлением для развития УФ-отверждаемых красок наличие загрязнителей выступает провокатором проблем с адгезией. Типичными загрязнителями могут быть: земля, смазочные материалы, жирные отпечатки пальцев, химические вещества, мигрирующие на поверхность из пластиков. Обработка окрашиваемых деталей вручную вызывает беспокойство за безопасность работников, так как в этом случае не удается избежать вредного воздействия едких очистителей, растворителей и не менее опасных ЛОС. Ручная очистка − это трудоемкий процесс поэтому автоматизированные методы, такие как плазменная очистка лучше подходят для быстрого удаления загрязнений. Модификация рецептур − это еще один потенциальный способ достижения высокой адгезии, но зачастую он происходит в ущерб другим свойствам покрытий. К примеру, изменению блеска, уменьшению Рисунок 3. Влияние плазменной обработки на полипропилен Выполнена плазменная обработка Без плазменной обработки Полипропилен прочности и увеличению рыночной цены покрытия. Производители неохотно идут на изменение составов красок особенно, если потребитель не готов платить за дополнительные работы, связанные с модификациями рецептур. Все это чревато длительными проволочками по времени, так как новые версии покрытий должны пройти различные испытания. Другая альтернатива − изменение состава подложки. Но так как дизайнеры-разработчики все чаще отдают предпочтение именно пластикам в виду их легкой обрабатываемости, весу, стабильности размеров, замена этих материалов может быть очень проблематичной, учитывая, что и заменителей не так уж и много, особенно, обладающих схожими характеристиками и оправдывающих производственные затраты. Есть еще один путь достижения адгезии – внедрение тонкого связующего покрытия, к примеру. хлорированного полиолефина, для усиления адгезии в полиолефином покрытии. Причем толщина этого слоя играет важную роль для достижения адгезии. Если это покрытие слишком толстое, то может произойти когезионное разрушение, а слишком тонкое − будет абсолютно бесполезным в решении проблем с адгезией. Еще один вариант достижения адгезии связан с плазменной обработкой поверхности пластиковых деталей. С ее помощью можно не только удалить загрязнения, но и увеличить поверхностную энергию окрашиваемой конструкции и, таким образом, обеспечить прочное сцепление между покрытием и подложкой. Этот метод безопасен, экономичен и не требует дополнительных модификаций ни в рецептуре покрытия, ни в составе подложки, а также позволяет избежать нанесения вспомогательного покрытия. Для хорошей адгезии требуется наличие сильной связи на стыке покрытия и подложки. Плазменная обработка может увеличить поверхностную энергию на этой границе путем замены менее активных насыщенных углеводородов на более реакционноспособные гидрофильные и гидрофобные группы. Доказано, что использование кислорода для повышения химической функциональности улучшает смачиваемость поверхности. На рисунке 1 показано влияние плазменной обработки полипропилена на увеличение поверхностной энергии. В процессе предва- Промышленные покрытия № 11-12 2015 61

ТЕХНОЛОГИИ УФ-ОТВЕРЖДАЕМЫЕ ПОРОШКОВЫЕ КРАСКИ Таблица 1. Начальная поверхностная энергия у пластиковых материалов и поверхностная энергия, необходимая для улучшения адгезии с покрытиями Поверхностная энергия Пластиковые материалы ЛКМ ПТФЭ (политетрафторэтилен) <20 ПП (полипропилен) 30 ПЭ (полиэтилен) 32 Покрытия на водной основе 50-56 Покрытия на основе растворителей 46-52 УФ-отверждаемые покрытия 54-60 ПС (полистирол) 34 ПК (поликарбонат) 34 АБС-пластик 34 Полиуретан 34 рительной обработки поверхности атмосферной плазмой образуется поток электронов, радикалов и ионов, которые ударяются о пластик с высокой скоростью. Этой силы вполне достаточно, чтобы нейтрализовать молекулярные связи на большинстве пластиковых поверхностей. В процессе этой нейтрализации появляются свободные радикалы, которые при наличии кислорода быстро реагируют и образовывают более активные химических группы, такие как гидропероксидная (HOO-), гидроксильная (HO-), карбонильная (C=O) и карбоксильная (HOOC). Даже относительно небольшое количество этих функциональных групп может стать эффективным средством улучшения адгезии между покрытием и пластиковой подложкой. ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА И АДГЕЗИЯ УФ-ПОКРЫТИЙ Атмосферная плазменная обработка уже доказала эффективность на пути повышения адгезии у УФ-отверждаемых жидких покрытий. Успешное применение плазмы для улучшения адгезии наблюдалось у полиамидных панелей, которые активно применяются для отделки автомобильных интерьеров. Установлено такое же положительное влияние плазменной обработки для покрытия биомедицинских устройств, поликарбонатов и полиметилметакрилатов. Изменение угла смачиваемости обеспечивает высокую точность и количественных показатели поверхностной энергии. На рисунке 2 показано влияние плазменной обработки на ПК и ПММА пластиках. Плазменная обработка увеличивает угол контакта на ПК с 80 °, наблюдаемы до обработки, до 40 ° после нее, на ПММА – с 65 ° до 55 °. Успешное применение плазменной обработки для УФ-жидких покрытий может быть использовано и для УФ-отверждаемых порошковых покрытий. УФ-отверждаемые порошковые покрытия были запущены в серийное производство в 1998 году тем самым расширили возможности их использования. Помимо металлических изделий, порошковые краски стали наносить и на чувствительные к высоким температурам материалы − дерево и пластик. Привлекательность УФ-порошковых покрытий заключается еще и в том, что они сочетают в себе такие качества, присущие и другим видам покрытий, как долговечность, экономичность и экологичность с высокой скоростью отверждения благодаря наличию крепких поперечных связей. Однако трудности с адгезией возникают и УФ-порошковых покрытий. Недавно некоторые из проблем с адгезией все же удалось решить в том числе с помощью плазменной обработки поверхности. Плазменная обработка стала безопасным недорогим и альтернативным методом для таких традиционных химической и газаплазменной обработок. Плазма очищает и химически активирует поверхность, тем самым избавляет от необходимости обрабатывать пластик вручную. Таким образом, плазменная обработка – это эффективный метод очистки и одновременной активации пластиковых поверхностей перед порошковым окрашиванием. В ходе исследования плазма была использована на тестовых панелях полипропилена, АБСпластика, поликарбонат АБС и нейлона. Плазменная обработка поверхности была выполнена на каждой подложки со скоростью шесть метров в минуту с использованием оборудования PlasmaTrade RD 1004 с ротационными соплами. Для активации Таблица 2. Уровень адгезии УФ-отверждаемого порошкового покрытия к пластиковым материалам 62 Материал подложки Без плазменной обработки После плазменной обработки Полипропилен 0В 3В АБС-пластик 0В 4В Поликарбонат 0В 4В Поликарбонат АБС 4В 4В Нейлон 6 0В 0В Промышленные покрытия № 11-12 2015

УФ-ОТВЕРЖДАЕМЫЕ ПОРОШКОВЫЕ КРАСКИ ТЕХНОЛОГИИ электростатического напряжения в порошковой краске и на непроводящих ток пластиках дополнительно было нанесено и высушено в естественных условиях тонкое ток проводящие покрытие от десяти до 12 мкм в соответствии с CTI 43 86 или CTI 16 93. Затем на акриловый полиэстер было нанесено УФ-отверждаемое порошковое покрытие толщиной 55−60 микрон с помощью электростатики. Тест-панели нагревались до 110 °С в электрической конвекционной печи в течение десяти минут, чтобы плавно расплавить порошковое покрытие по всей поверхности панели. Все текстовые плашки были подвергнуты УФ-излучению с помощью ламп с добавкой галлия (Fusion 300 Вт/см). Адгезия на каждой панеле оценивалась методом решетчатых надрезов согласно АSTМ D 33 59 (таблица 2). НАБЛЮДЕНИЯ И ВЫВОДЫ В ходе испытаний были сделаны интересные выводы. Во-первых, плазменная обработка обеспечивала выраженное улучшение адгезии покрытия с тест-панелями. Полипропилен, поликарбонат, АБС-пластик, поликарбонат АБС, немевшие адгезии до обработки, показали отличную адгезию после плазменной атмосферной обработки Литература: 1. Burak, L.,(2003). Ensuring Proper Adhesion of UV- Curable Coatings to Plastic Substrates, Paint & Coatings Industry, March 2003 2. Cohen, G., (2012), UV/EB Market Trends, RadTech Report. 14:2 pp. 44-48 3. Gururaj,T., Subasri, R ., Raju,K .R .C., Padmanabham, G. (2011). Effect of plasma pretreatment on adhesion and mechanical properties of UV-curable coatings on plastics. Applied Surface Science, 257(9), 4360-4364. 4. Jian, Y., He, Y., Jiang, T., Li, C., Yang, W., & Nie, J. (2013). Volume shrinkage of UV-curable coating formulation in- vestigated by real-time laser re ection method. Journal of Coatings Technology and Research, 1-7. 5. Kaute, D., (2003). Plasma Technology Transforms Traditional Pain Line into High Speed Compact Line, Radtech Report, November/ December 2003, pp. 33-35 6. Knoblauch, M., Schwarb, R., (2012), Innovation and Sustainability Drive UV-Cured Powder Coating Development, Plastics Decorating, July/August (рисунок 3). Во-вторых, плазменная обработка − это все же не панацея и еще есть над чем работать. Так как протестированный полипропилен все же не показал такой же уровень адгезии как АБС-пластик. Поликарбонат АБС и нейлон 6 также не достигли требуемого уровня адгезии, несмотря на использование плазменной обработки и равных условий испытания. Дальнейшие улучшения могут быть достигнуты с помощью более точного выбора процесса обработки поверхности. Еще одно важное наблюдение − некоторые комбинации покрытие/подложка, например, поликарбонат АБС, могут хорошо работать и без поверхностной обработки, но это совершенно не означает, что плазменная обработка не приносит никакой пользы. Производители красок, чтобы снизить стоимость продукции, нередко сообщают об использовании вторсырья, в этом случае плазменная обработка может застраховать потребителей от неудач использования нестабильной по качеству смолы. Мы должны отметить, что в исследовании намеренно использовалось так называемое стоковое УФ-порошковое покрытие и стандартная плазменная обработка в лабораторных условиях. Тот факт, что большинство окрашенных образцов показали хороший результат свидетельствует о том, что требуемой адгезии достичь несложно. Однако плазменная обработка показала, как удовлетворительные, так и неудовлетворительные результаты. Последующие работы могут сильнее сосредоточиться на тестировании порошковых покрытий, используя другие методы обработки поверхности в целях решения проблем низкой адгезии у УФ-отверждаемых порошковых красок, либо на этих же пластиковых подложках, или возможно использовать другие популярные пластики, например, полиэфирные листовые материалы, компаунды, придающие объем или нейлон. Выполненная работа показала, что плазменная обработка поверхности может предложить надежное решение проблем с адгезией у УФ-отверждаемых порошковых красок, применяемых для наиболее распространенных видов пластмасс. Наши первоначальные результаты дают нам право полагать, что плазменная обработка может обеспечить приемлемые результаты и на других пластиковых поверхностях. Плазма предлагает безопасный, экономически эффективный и экологический метод для активного внедрения УФ-жидких и порошковых покрытий на растущий рынок пластиковых материалов. 2012, pp. 14-17 7. Little, M., Plastic Man, Products Finishing, January 2005 8. Loof, R., (2001). UV/EB Gains Regulatory Recognition, Radtech Report, May/June 2001, pp. 18-19 9. Meichsner, J., Zeuner, M., Kramers, B., Nitschke, M., Rochotzki, R., Barucki, K., (1998) Surf. Coat. Technol. 98, 1565. 10. Melamies, I., (2012), Power Treatment: Plasma for the Perfect Design, Paint & Coatings Industry, June 2012, pp. 42-43 11. Mills, P. (1998), UV Powder, the Marriage of Two Comlaint Technologies, Metal Finishing, January 1998, pp. 38-41 12. Oehr, C. (2003). Plasma surface modi cation of polymers for biomedical use. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 208, 40-47. 13. Ryntz, R.A.,(1998). Adhesion to Plastics: Molding and Paintability, Gobal Press 14. Ryntz, R.A., (1994). Coating adhesion to low surface free energy substrates, Progress in Organic Coatings, 25, pp. 73-83 15. Schwalm, R. (2006). UV coatings: basics, recent developments and new applications. Elsevier. 16. Schwarb, R., Knoblauch, M., (2011). New Opportunities for UV-Curable Powder Coatings UV-curable powder coatings continue to grow in demand. Coatings World, November, 2011. 17. Skinner, D., (2003). UV Curing in the Plastics Component Industry, Radtech Report, July/August 2003, pp. 19-23 18. Walton, A., (20-12). Sustainable, Safe and High Quality UV-Cure Powder Coating for Wood Substrates, Presented at the 5th Wood Coatings Conference, University of North Carolina, Greensboro, NC, September 20-21, 2012) 19.Whit eld, J.K., (1995). Overview of Powder Coating Technology and EPA’s Powder Coating Research, Presented at the Low- / No- VOC Coating Technologies 2nd Biennial International Conference, Durham, NC, March, 1995 Промышленные покрытия № 11-12 2015 63

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв