Файл: Крылова И.А. Электроосаждение, как метод получения лакокрасочных покрытий.pdf

зующегося покрытия к металлу по сравнению с элект­ роосаждением на сталь и нерастворимые аноды. Причи­ ной этого может быть увеличение размера структурных единиц покрытия вследствие большой коагулирующей способности ионов металла по сравнению с ионами водо­ рода [64], а также значительная скорость анодного рас­ творения металла, которая приводит к расширению диффузионной области двойного электрического слоя. В ряде случаев адгезию удается повысить, если окраоку вести в режиме плавного или ступенчатого подъема на­ пряжения [209], что, вероятно, связано со снижениемскорости анодного растворения металла.

Приготовление рабочего раствора лакокрасочного материала

Для приготовления рабочего раствора лакокрасоч­ ного материала используют обессоленную воду с pH 6—7. Чистоту воды контролируют по удельной электро­ проводности, которая не должна превышать 2 -10~3 См/м.. Присутствие посторонних электролитов в воде для раз­ ведения отрицательно влияет на работоспособность ван­ ны электроосаждення и качество покрытий.

Расчетное количество исходного лакокрасочного ма­ териала растворяют в емкости для предварительного' смешения, оборудованной мощной мешалкой и рубашкой для охлаждения. Материал при включенной мешалке закачивают в емкость, предварительно заполнив ее на 40— 60% обессоленной водой. Впоследствии для разбав­ ления используют раствор лакокрасочного материала из- е э н н ы электроосаждения.

Если применяется материал, выпускаемый в виде кислой пасты, в емкость для смешения вводят какой-ли­ бо нейтрализатор—триэтиламин, диэтиламин, триэтанол­ амин, аммиак (например, 7,0—7,5 л на 100 кг пасты для грунтовок ФЛ-093). После окончания загрузки со­ держимое емкости перемешивается до полного исчезно­ вения нерастворнвшнхся частиц лакокрасочного мате­ риала (проба на растворимость). Содержимое емко­ сти перекачивается насосом в ванну электроосаждення. Затем вводят добавки нейтрализатора и доводят pH ван­ ны до требуемого значения. После циркуляции раство­ ра в полностью загруженной ванне в течение не­

91

скольких часов отбирают пробу на анализ сухого остат­ ка, определяют pH и удельную электропроводность рабочего раствора лакокрасочного 'Материала.

При окраске установочной партии изделий уточняют технологические параметры нанесения. В случае окраски изделий особо сложной конфигурации для повышения рассеивающей способности определяют места установки и число дополнительных электродов.

Изменение параметров ванны при электроосажденнн и способы их корректировки

Как правило, если работа на линии окраски ведется без непрерывной оптимизации параметров, корректиров­ ка всех изменяющихся параметров производится не ча­ ще одного раза в смену. К таким параметрам относятся:

в ванне в пределах 1%. Зная производительность линии по окрашиваемой поверхности, массу покрытия на 1 м2 окрашиваемой поверхности, можно заранее определить, когда возникнет необходимость в корректировке по су­ хому остатку. Корректировку осуществляют следующим образом.

В корректировочный смеситель загружают определен­ ное количество кислого материала, рассчитанное с уче­ том содержания сухого остатка и объема ванны. Загруз­ ка кислой пасты должна составлять не более Vs емкости смесителя (на 1 часть кислого материала должно прихо­ диться 4 части рабочего раствора ванны), так как при увеличении содержания кислого материала затрудняется его растворение. К кислому материалу медленно при непрерывном перемешивании добавляют рассчитанное количество нейтрализатора. Частично нейтрализованный материал смешивают с равным количеством (Vs) рабоче­

Затем медленно закачивают остальную порцию рабочего раствора и перемешивают до полного растворения в те­ чение примерно 30 мин. Температура рабочего раствора должна быть 28— 32°С. Растворенный концентрат пере­ качивается затем в ванну. Операцию повторяют до тех

92

пор, пока анализ сухого остатка не будет соответствоватьнорме.

Концентрация ионов водорода при электроосаждении обычно понижается, т. е. увеличивается pH. Наибольшее распространение получили три способа корректировки pH:

1)метод компенсации;

2)применение ионообменных смол;

3)использование электродиализа.

Метод компенсации применяют для лакокрасочных материалов, выпускаемых в виде кислых паст. Он за­ ключается в добавлении в ванну не полностью нейтрали­ зованного лакокрасочного материала, при этом происхо­ дит корректировка по сухому остатку.

Ионообменные смолы представляют собой трехмер­ ные полимеры, в структуре которых имеются кислотные или основные группы, способные при контакте с раство­ ром электролита обменивать ионы растворенных солей на катионы водорода или анионы гидроксильных групп. Обычно используются слабокислые катиониты, содержа­ щие карбоксильные группы, которые обменивают свой протон в нейтральных и щелочных средах, причем полно­ та обмена возрастает с увеличением pH [219, с. 56—59].. Помимо корректировки pH при пропускании лакокра­ сочного материала через катионообменную смолу удаля­ ются катионы, возникающие, например, в результате анодного растворения металла и загрязняющие рабо­ чий раствор ванны.

Для отечественных лакокрасочных материалов, ис­ пользуемых при электроосаждении, рекомендуется в ка­ честве катионита смола КБ-41 [220].

Продукты загрязнения ванны посторонними электро­ литами способствуют повышению электропроводности лакокрасочного материала. Когда она возрастает на 30%, качество покрытия резко ухудшается, а при даль­ нейшем увеличении электропроводности прекращается осаждение, поскольку становится преобладающим элект­ ролиз примесей.

Если окрашиваемые изделия фосфатируют и пасси­ вируют, в ванне электроосаждення могут накапливатьсяпримеси электролитов не только катионного, но и анион­ ного характера за счет частичного растворения фосфат­ ного слоя и недостаточной промывки изделий. Анионные-

93

загрязнения удаляются из лакокрасочной системы с по­ мощью анионитов, например АВ-17-8-Ч. с.

Недостатком этого способа корректировки ванны яв­ ляется необходимость периодической регенерации катионитовой смолы соляной кислотой с последующей промыв­ кой фильтров большим объемом воды.

Более целесообразно применение ионитов (в виде мембран) при использовании электродиализа.

Особенностью данного способа корректировки pH яв­ ляется то, что корпус ванны изолирован и не служит ка­ тодом, а в качестве катода используют специальные пла­ стины, установленные в катодных карманах, которые от­ делены от рабочего объема ванны ионообменной мембраной, проницаемой для катионов и непроницаемой для анионов пленкообразующего. Таким образом, ванна электроосаждения разделена на два пространства: ка­ тодное и анодное [221]. В результате pH остается по­ стоянным, так как катионы нейтрализатора, обусловли­ вающие рост pH в анодном пространстве, переходят в катодное пространство и удаляются оттуда вместе

.с циркулирующей водой.

Для отечественных лакокрасочных материалов при­ меняют ионообменные мембраны МК-40 и МК-41.

Необходимо соблюдать следующие требования при эксплуатации катодных карманов:

а) мембраны вставляют в катодные карманы предва­ рительно набухшими, для чего их замачивают в обес­ соленной воде в течение двух суток. Контроль готовности мембран определяют по коэффициентам набухания

(ТУ 6-05-211840— 73);

б) катодные карманы заполняют обессоленной водой ,с начальной удельной электропроводностью 2-10-3 См/м; в) контроль в диализных карманах осуществляют по pH и удельной электропроводности. При достижении критического значения pH, равного 10— 11, и удельной электропроводности (5— 6)-10-2 См/м циркуляционная вода в катодном пространстве обновляется на V2 объема;

г) скорость циркуляции воды до 3000 л/ч; д) падение напряжения на мембране должно состав-

.лять 15—20% от общего напряжения при окраске. Наиболее перспективным способом одновременной

корректировки ванны по pH и сухому остатку является ультрафильтрация (см. ниже).

-.94

В процессе электроосаждения контролируют содер­ жание сухого остатка (1—2 раза в смену); pH (1 раз в смену); удельную электропроводность (1 раз в смену); соотношение лигмент/связующее (1 раз в неделю).

Следует иметь в виду, что помимо поддержания всех параметров на заданном уровне необходимо четко соблю­ дать оптимальное время полной замены лакокрасочного материала в ванне по сухому остатку (продолжитель­ ность цикла).

Это связано с тем, что стабильность лакокрасочного материала существенно зависит от интенсивности выра­ ботки ванны. Поэтому необходимым условием нормаль­ ного протекания электроосаждения является постоянное обновление состава ванны при корректировке концент­ рации лакокрасочного материала.

Обычно предельно допустимую продолжительность цикла определяют на лабораторных установках, напри­ мер карусельного типа [222, 223]. При этом задаются различной продолжительностью окраски поверхности из­ делия при расходе лакокрасочного материала, соответ­ ствующего сухому остатку рабочего раствора ванны [222], причем продолжительность окраски измеряют до появления на поверхности дефектов (в основном типа переосаждения).

ОБРАБОТКА ИЗДЕЛИЙ ПОСЛЕ ОКРАСКИ

После окраски изделия поступают в секцию промыв­ ки, где их вначале промывают технической водой (толь­ ко в случае невысоких требований к покрытию), а затем обессоленной. Целесообразно перед промывкой техниче­ ской водой смывать незакрепленный лакокрасочный ма­ териал с изделия небольшим количеством обессоленной воды непосредственно над ванной электроосаждения.

После промывки электроосажденное покрытие под­ вергают горячей сушке. Для удаления капель воды с по­ верхности покрытия и ускорения сушки рекомендуется предварительная обдувка горячим воздухом. Режим суш­ ки определяется типом лакокрасочного материала. Для грунтовок ФЛ-093 продолжительность конвекционной сушки при 180—200 °С составляет 25— 30 мин.

95.

ОЧИСТКА ПРОМЫВНЫХ вод

В соответствии с санитарными нормами загрязненную промывную воду необходимо очищать до слива в кана­

лизацию.

Очистка воды от содержащегося в ней лакокрасочно­ го материала обычно основана на коагуляции материала электролитами с последующим улавливанием коагулята механической фильтрацией. В промывную воду добавля­ ют электролит (обычно хлорид кальция) при интенсив­ ном перемешивании. Последующая очистка от коагулята может производиться либо в отстойниках, либо в уста­ новках непрерывного действия. Очищенная таким обра­ зом вода направляется в канализацию, а улавливаемый коагулят вывозится за пределы завода.

Более совершенным способом очистки промывных вод является ультрафильтрация.

ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАФИЛМРАЦИИ ДЛЯ КОРРЕКТИРОВКИ ВАННЫ И ОЧИСТКИ ПРОМЫВНЫХ вод

Ультрафильтрация — процесс молекулярного разделе­ ния растворов и коллоидных систем на составные части при прохождении их через полупроницаемые мембраны. Этот процесс нашел применение в промышленности для концентрации и очистки ферментов, сточных вод, в фар­ мацевтической промышленности и др.

Впервые ультрафильтрацию при электроосажденин Бодоразбавляемых лакокрасочных материалов начали ис­ пользовать за рубежом в конце 1970 г. [224— 228]. В СССР разрабатывается технология электроосаждения с применением отечественных ультрафильтрационных мембран.

Применение ультрафильтрации позволяет:

1. Снизить унос лакокрасочного материала с промыв­ ными водами, который в зависимости от конфигурации изделий, условий нанесения и типа материала достига­ ют 30% и более [224, 229].

2. Сократить расход обессоленной воды, составляю­ щий 5— 15 л/м2 при промывке после окраски [230].

3. Устранить трудности при очистке сточных вод, свя­ занные с обеспечением допустимой санитарными норма-

56

ми степени очистки сточных вод от частиц пленкообразователей [230].

4. Регенерировать лакокрасочный материал после за­ грязнения его посторонними электролитами и примесями.

Ультрафильтрация позволяет отделять пленкообра­ зующие и пигменты (группа А) от нейтрализаторов, во­ ды, органических .растворителей (группа Б) и от низко­ молекулярных загрязнений ванны (группа В). Отделен­ ные от ультрафильтрата (группы Б и В) компоненты группы А непосредственно возвращают в ванну элект­ роосаждения. Однако помимо них для правильного

функционирования ванны необходимы также компоненты группы Б. Задача заключается в выборе такой техноло­ гической схемы ультрафильтрации, при которой в ванну возвращалось бы определенное количество компонентов группы Б для поддержания требуемой концентрации и в то же время не накапливалось загрязнений (груп­ па В).

Этим требованиям отвечает схема (рис. 39), представ­ ляющая собой замкнутую цепь с перепускным отверсти­ ем для ультрафильтрата. В этом случае часть ультра­ фильтрата используется как жидкость для промывки, часть возвращается в ванну и часть сбрасывается в ка­ нализацию.

Содержание ультрафильтрата, возвращаемого в ван­ ну, должно быть таким, чтобы не превысить допустимую концентрацию загрязнений в ванне. Появились сообще­ ния [231, 232] об эффективности дополнительной очистки ультрафильтрата с помощью ионообменных смол или способа гиперфильтрации.

97

Мембраны, применяемые в системе ультрафильтра­ ции, бывают двух типов: микропористые и диффузион­ ные.

С помощью микропористых мембран происходит отде­ ление компонентов группы А от ультрафильтрата [233].

Диффузионные мембраны состоят из тонкой пленки активного слоя толщиной 0,1 — 1 мкм и пористой под­ ложки толщиной 125—250 мкм [234, 235].

Эти мембраны задерживают растворенные вещества, диаметр молекул которых составляет около 10 А и более. Скорость разделения определяется активным слоем, так как через пористую подложку, которая составляет 99,8% всего пленочного слоя, жидкость проходит с высокой скоростью. Диффузионные мембраны используют в про­ мышленном масштабе для опреснения воды (гипер­ фильтрация) .

Путем соответствующего выбора ультрафильтрационной мембраны (можно концентрировать, очищать и разде­ лять на фракции практически любую систему.

Давление в системах ультрафильтрации, используе­

фильтрующая поверхность мембран определяется свой­ ствами конкретной лакокрасочной системы и используе­ мой мембраны [226, 234, 236].

В ультрафильтрационных установках применяют мем­ браны в виде листов и в виде труб [214], причем по­ следние более эффективны [237].

Минимальный срок службы мембран на установке электроосаждения 1 год [237], благодаря значительной экономии лакокрасочного материала за этот срок они полностью окупаются [238].

ПРИМЕНЕНИЕ СТРУЙНОГО ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЯ ДЛЯ ОКРАСКИ ИЗДЕЛИЙ

В промышленных условиях лакокрасочные материалы осаждаются в основном в ваннах. Однако электроосаж­ дение возможно осуществить и при струйном нанесении материалов на подложку под воздействием постоянного электрического поля [239]. В этом случае анодом явля­ ется окрашиваемое изделие, а катодом служит обливаю­ щее устройство. Лакокрасочный материал подается на­

98

сосом из бака в зону окраски через ряд отверстий (или сопел) в корпусе обливающего устройства (головки). Замыкание электрического контакта менаду головкой и изделием осуществляется через струи лакокрасочного материала. Излишки лакокрасочного материала после ■окраски стекают обратно в бак, таким образом происхо­ дит непрерывная циркуляция по системе бак — насос — окрасочная камера — бак.

Размеры и форму обливающих устройств конструиру­ ют в каждом отдельном случае с учетом конфигурации и размеров окрашиваемого изделия.

Опасность соприкосновения электродов обливающей головки и изделия может быть устранена за счет соот­ ветствующей обкладки на концах сопел.

Подготовка поверхности изделий перед окраской, про­ мывка после осаждения и сушка полученного покрытия осуществляются так же, как и при электроосаждении ме­ тодом окунания.

Затраченный объем лакокрасочного материала при струйном электроосаждении в несколько раз меньше, чем при осаждении методом окунания, поэтому при окраске некоторых изделий этот способ более эффективен. В частности, перспективно применение струйного элект­ роосаждения при окраске изделий большой длины (лен­ ты, трубы, провода, профильный прокат). Так, например, за рубежом струйным электроосаждением наносится по­ крытие на проволоку [240]. Струйное электроосаждение может найти широкое применение также при окраске мелких однотипных изделий, транспортируемых, напри­ мер, на рольганге или ленточном транспортере; в этом случае отпадают операции по навеске и снятию этих из­ делий.

Метод струйного электроосаждения [239] исследовал­ ся на эмали ФЛ-149Э и грунтовке ФЛ-093; масса осаж­ даемого лакокрасочного материала, а следовательно, и толщина покрытия определяются продолжительностью осаждения и оптимальным значением плотности тока при

^окраске. Оптимальную плотность тока при сравнительно низких напряжениях (до 100— 150 В для грунтовки ФЛ-093) достигают, уменьшая расстояние между обли­ вающим контуром и изделием (2— 3 мм) или повышая напряжение до 300—450 В при одновременном увеличе­ нии расстояния до 4—8 мм. В обоих случаях при дости-

99