Wydział Inżynierii Mechanicznej

Transport, sem VII

Technologia napraw pojazdów

Adamczewski Grzegorz

Barczyński Karol

Biskup Paweł

Regeneracja elementów maszyn przez nanoszenie powłok

z tworzyw sztucznych

1. Wstęp

2. Ogólna charakterystyka tworzyw powłokowych

3. Metody nakładania powłok z tworzyw sztucznych

4. Właściwości powłok z tworzyw sztucznych

5. Podsumowanie

1. Wstęp

W wyniku używania maszyn, ich powierzchnia robocza, jak również własności użytkowe pogarszają się. Zużywanie może być spowodowane różnymi procesami zarówno fizycznymi jak i chemicznymi, które występują w czasie eksploatacji. Najczęściej występującymi rodzajami zużycia są: rysowanie, łuszczenie, bruzdowanie, erozje, korozje i obciążenie udarowe.

Poszukiwanie sposobów zmniejszenia zużycia oraz regeneracja maszyn jest istotne z punktu ekonomii, jak również w dzisiejszych czasach z punktu ochrony środowiska naturalnego, poprzez eliminowanie dużych ilości materiałów odpadowych. Istnieje wiele metod regeneracji elementów maszyn np. przez nakładanie powłok metalowych, powłok galwanicznych czy też powłok z tworzyw sztucznych. I to właśnie o metodzie napraw uszkodzonych, czy też zużytych elementów maszyn przez nanoszenie powłok z tworzyw sztucznych, które znalazły szerokie zastosowanie w technice nie tylko jako surowce służące do wyrobu określonych elementów konstrukcyjnych, ale również jako materiał powłokowy. Opracowanie technologii nanoszenia powłok ochronnych z tworzyw sztucznych, szczególnie proszkowych, pozwoliło rozwiązać cały szereg problemów technicznych i uzyskać znaczne oszczędności materiałowe i finansowe. Powłoki z tworzyw sztucznych, podobnie jak inne warstwy powierzchniowe, mogą spełniać trzy podstawowe zadania:

1) ochrona przed korozją,

2) nadanie cech dekoracyjnych,

3) poprawa właściwości mechanicznych (głównie odporności na ścieranie lub zmniejszanie tarcia).

Powłoki z tworzyw sztucznych powstają w wyniku naniesienia na powierzchnię przedmiotu warstwy tworzywa. Możliwość modyfikowania właściwości użytkowych i przetwórczych tworzyw sztucznych pozwala na uzyskiwanie powłok o różnorodnych właściwościach. Przykładem mogą być powłoki o dużej odporności termicznej i chemicznej, powłoki platerowane, powłoki teflonowe o małym współczynniku tarcia (panewki łożyskowe), kompozytowe powłoki naprawcze. Powłoki z tworzyw sztucznych zwykle dzieli się na dwie grupy: właściwe powłoki z tworzyw sztucznych oraz powłoki malarskie. Ścisłego rozdziału między tymi dwiema grupami powłok nie ma, gdyż w obydwu przypadkach związkiem powłokotwórczym jest związek wielkocząsteczkowy - polimer.

Zasadnicze różnice polegają na składzie materiału przeznaczonego do nakładania powłok

i sposobie ich nakładania.

Aby móc rzetelnie opisać regeneracje elementów maszyn prze nanoszenie powłok z tworzyw sztucznych należy scharakteryzować tworzywa powłokowe, metody nakładania powłok oraz przedstawić właściwości powłok z tworzyw sztucznych. Wszystkie powyższe elementy zostaną przedstawione w dalszej części naszej pracy.

1. Ogólna charakterystyka tworzyw sztucznych

Tworzywa sztuczne są jednymi z najczęściej współcześnie stosowanych materiałów użytkowych z powodu ich specyficznych i nierzadko unikalnych właściwości. Tworzywa wielkocząsteczkowe stanowią grupę materiałów,których najistotniejszym składnikiem jest polimer. Tworzywa powłokowe mogą być stosowane w postaci proszków, past dyspersji lub ciekłych, bezrozpuszczalnikowych mieszanek tworzyw sztucznych z innymi składnikami. Tworzą one wówczas warstwę o określonej grubości, ściśle przylegającą do niego

i wykazującą określone właściwości mechaniczne i chemiczne. Do wytwarzania powłok mogą być więc użyte substancje spełniające następujące wymagania:

• ze stanu dają się przeprowadzić za pomocą prostych procesów fizycznych lub chemicznych

• w stan stały (utwardzony),

• w stanie ciekłym wykazują zdolność zwilżania podłoża, charakteryzują się określonym sposobem i czasem zestalania (żelowania, utwardzania, wysychania), konsystencją, lepkością i rozlewnością, zdolnością krycia,

• w stanie stałym wykazują odpowiednią przyczepność do podłoża, spoistość wewnętrzną (kohezję), elastyczność, twardość, odporność na starzenie i na działanie czynników fizycznych i chemicznych otoczenia.

Głównym składnikiem materiałów powłokowych są tworzywa termoplastyczne

i termoutwardzalne. Ponad to w materiałach tych mogą występować: stabilizatory, zmiękczacze, barwniki i pigmenty.

Przybliżymy teraz kilka z najważniejszych tworzyw sztucznych używanych do regeneracji elementów maszyn.

Pierwszymi z nich są poliamidy, czyli polimery, które posiadają wiązania amidowe

w swoich głównych łańcuchach. Poliamidy mają bardzo silną tendencję do krystalizacji dodatkowo wzmacnianą tworzeniem się wiązań wodorowych między atomem tlenu i azotu

z dwóch różnych grup amidowych. Dzięki temu poliamidy są bardziej twarde i trudniej topliwe niż poliestry nie mówiąc już o polimerach winylowych. Z poliamidów produkuje się przede wszystkim włókna zwane często nylonami i aramidami oraz tworzyw sztuczne

o podwyższonej odporności mechanicznej (tworzywa konstrukcyjne) nadające się np. do produkcji kół zębatych. Poliamidy otrzymuje się w procesach polimeryzacji lub polikondensacji. Najstarszą metodą syntezy poliamidów jest polikondensacja kwasów dwukarboksylowych z diaminami. Powłoki poliamidowe są wytrzymałe na ścieranie, odporne na działanie rozpuszczalników, smarów i paliw.

Kolejnym jest polietylen lub polieten, czyli polimer etenu, który jest giętki, woskowaty, przezroczysty, termoplastyczny. Traci elastyczność pod wpływem światła słonecznego

i wilgoci. Synteza polietylenu jest przykładem polimeryzacji rodnikowej. Folie

z polietylenu charakteryzują się małą przenikalnością dla pary wodnej, łatwo przepuszczają pary substancji organicznych, nie są odporne na węglowodory i ich chloropochodne. Są odporne na działanie roztworów kwasów, zasad i soli, niską temperaturę oraz na ścieranie i zużycie. Charakteryzuje się również niską chłonnościa wody i niskim współczynnikiem tarcia.

Następnym jest polistyren, czyli polimer z grupy poliolefin otrzymywany w procesie polimeryzacji styrenu, pochodzącego zwykle z procesu katalitycznego odwodornienia etylobenzenu bądź z procesu Halcon-Oxirane lub z rafinacji ropy naftowej. Czysty polistyren jest bezbarwnym, twardym, kruchym termoplastem, czyli tworzywem formowanym przez topienie, o bardzo ograniczonej elastyczności.

Jako tworzywo sztuczne, polistyren może być bezbarwny, słabo przezroczysty, lub może być barwiony na dowolne, żywe kolory. Jego zaletą w stosunku do polietylenu

i polipropylenu jest niższa temperatura mięknienia i mniejsza lepkość stopu, dzięki czemu łatwiej jest z niego otrzymywać w procesie formowania wtryskowego niewielkie przedmioty o złożonych kształtach.

Kolejnymi są polichlorek winylu, polichlorek etenylu i polichloroeten, czyli tworzywa sztuczne otrzymywane w wyniku polimeryzacji monomeru – chlorku winylu. Mają właściwości termoplastyczne, charakteryzują się dużą wytrzymałością mechaniczną

i są odporne na działanie wielu rozpuszczalników, niestety charakteryzuje się również niską odpornością na działanie światła słonecznego i dużą lepkościa w podwyższonych temperaturach.

Bitumy występują jako produkty naturalne np. asfalt oraz sztuczne, wytworzone przez przerobienie pozostałości rafinacji ropy. Są wtedy substancjami niekrystalicznymi, nadającymi się doskonale do produkcji proszku nadającego się do natryskiwania. Powłoki z bitumu są odporne na działanie wody, czynniki atmosferyczne i przepuszczalność pary.

Do wytwarzania powłok wykorzystać można jeszcze pochodne celulozy, plastizole, żywice epoksydowe i inne.

Po zapoznaniu się z tworzywami powłokowymi należy przedstawić metody nakładania powłok właśnie z tworzyw sztucznych.

1. Metody nakładania powłok z tworzyw sztucznych.

Regeneracja części maszyn metodami nakładania powłok z tworzyw sztucznych polega na pokrywaniu powierzchni zużytych elementów tworzywem sztucznym. Godne przedstawienia SA tutaj podstawowe metody nakładnia danych powłok, takie jak napawanie, proszkowe, zanurzeniowe, polewające, płomieniowe, swobodne, elektrocieplne, fluidyzacyjne

i nawalcowywanie folii. To tylko kilka z metod, które są wykorzystywane do regeneracji maszyn i ich poszczególnych elementów.

Napawanie jest to nakładanie powłok metodami spawalniczymi i polega na dokładnym stopieniu materiału dodatkowego, czyli spoiwa z nadtopionym materiałem podłoża, którego udział w nałożonej napoinie, zależnie od stosowanej metody, może dochodzić do kilkudziesięciu procent. Źródłem ciepła stapiającym materiał dodatkowy w postaci drutu, pręta, taśmy lub proszku jest płomień gazowy, łuk elektryczny lub wiązka lasera, stąd można wyróżnić następujące metody napawania:

- gazowe,

- elektryczne: łukowe,żużlowe, plazmowe.

Ogólnym celem napawania jest regeneracja części maszyn (napawanie regeneracyjne) bądź wytwarzanie elementów maszyn z uszlachetnioną warstwą wierzchnią zwiększającą odporność na: korozję, zużycie ścierne, erozję, kawitację, albo zwiększające żaroodporność

i żarowytrzymałość (napawanie produkcyjne). Nakładane materiały posiadające wymagane wysokie właściwości pochodzą ze wszystkich grup materiałowych – metali i stopów, cermetali, ceramiki oraz tworzyw sztucznych.

Fluidyzacyjne nanoszenie powłoki z tworzywa polega na wytworzeniu zawiesiny sproszkowanego tworzywa w strumieniu gazu płynącego do góry -złoża fluidalnego,

i wprowadzeniu do niego przedmiotu uprzednio nagrzanego nieco powyżej tempe­ratury topnienia tworzywa, odczekaniu określonego czasu, wyjęciu przedmiotu ze złoża i często ponownym nagrzaniu go oraz następnie ochłodzeniu. W czasie przebywania przedmiotu

w złożu, cząstki tworzywa stykają się z nagrzanym przedmiotem i stapiają, tworząc powłokę związaną adhezyjnie z materiałem przedmiotu. Nanoszenie fluidyzacyjne przeprowadza się we fluidyzatorze. 

Podczas nakładania elektrocieplnego występują bezpośrednio po sobie dwa na­stępujące etapy: formowanie wstępne powłoki w polu elektrycznym w różnych środowiskach

i formowanie ostateczne powłoki w polu temperatury w powietrzu. Nanoszenie elektrocieplne dzieli się na nanoszenie elektrostatyczne, fluidyza­cyjno - elektrostatyczne i elektroforetyczne

Elektrostatyczne nanoszenie (napylanie) powłoki z tworzywa polega na przenie­sieniu sproszkowanego tworzywa w polu elektrostatycznym, z głowicy napylającej stanowiącej biegun ujemny na powierzchnię przedmiotu będącego biegunem dodatnim, następnie wyjęciu przedmiotu z pola elektrycznego, stopieniu cząstek tworzywa pod wpływem ciepła dostarczonego z zewnątrz, zestaleniu lub utwardzeniu tworzywa powłoki i ochłodzeniu przedmiotu z naniesioną powłoką.

Łącząc nanoszenie fluidyzacyjne i elektrostatyczne w jeden proces otrzymuje się nanoszenie fluidyzacyjno-elektrostatyczne. Przeprowadza się je w zasadniczej części za pomocą fluidyzatora elektrostatycznego, zawierającego pojemnik wykonany z materiału nieprzewodzącego prądu elektrycznego, w którym za pomocą elektrod umieszczonych

w złożu fluidalnym następuje elektryzowanie cząstek tworzywa.

Cząstki unoszą się w strumieniu gazu i dzięki ładunkowi elektrycznemu są przyciągane przez przedmiot zanurzony w złożu i uziemiony. Ciąg dalszy postępowania jest taki, jak

w przypadku nanoszenia fluidyzacyjnego i elektrostaty­cznego. Do głównych zalet omawianego nanoszenia zalicza się efektywne nanoszenie powłok z tworzyw o małym napięciu powierzchniowym, np. z PTFE, wyeliminowanie nagrzewania przedmiotu przed wprowadzeniem do fluidyzatora oraz niewystępowanie strat proszku, natomiast do wad -nadmierne ukierunkowanie cząstek powodujące tworzenie się grubszych powłok na powierzchni przedmiotu zwróconej ku elektrodzie oraz trudności w uzyskaniu równomiernego pola elektrycznego w całym przekroju poprzecznym fluidyzatora. 

Proces nanoszenia elektroforetycznego polega na osadzaniu na powierzchni przedmiotu cząstek tworzywa z wodnego układu dyspersyjnego (dyspersji wodnej -hydrozolu), organicznego układu dyspersyjnego (organodyspersji) lub z roztworu koloidalnego pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego, nagrzaniu przedmiotu ze wstępnie naniesioną powłoką poza polem elektrycznym w fazie ciekłej do temperatury nieco wyższej od temperatury topnienia tworzywa i następnie ochło­dzeniu przedmiotu z naniesioną ostatecznie powłoką. W polu elektrycznym zachodzi ruch cząstek, czyli elektroforeza, w kierunku anody, co nosi nazwę anaforezy, lub w kierunku katody, co nazywa się kataforezą, w zależności od polarności elektrody -przedmiotu. Na powierzchni elektrody cząstki ulegają koagulacji wskutek kom­pensacji ładunku elektrycznego -w przypadku wodnego układu dyspersyjnego -jonami pochodzącymi głównie z elektrolizy wody. Osadzona powłoka ma strukturę porowatą i zawiera znaczną ilość fazy ciekłej o ładunku przeciwnym. Pod wpływem prądu faza ciekła zawierająca kationy wędruje w kierunku katody (ele­ktroosmoza), co powoduje, że powłoka ulega osuszeniu (zawiera 5 - 10% fazy ciekłej) i łączy się adhezyjnie z powierzchnią przedmiotu; można przyjąć, że jest uformowana wstępnie. Po wyjęciu przedmiotu z fazy ciekłej powłokę suszy się i zestala w tempe­raturze zazwyczaj do w czasie do 30 minut, co powoduje jej uformowanie ostateczne. Nanoszenie elektroforetyczne stosuje się szczególnie do otrzymywania powłok PTFE o grubości do z wodnego układu dyspersyjnego polimeru oraz do powłok PVC o grubości do z organicznego układu dyspersyjnego.

W procesie nakładania płomieniowego zachodzi jednocześnie: rozpylanie i przenoszenie tworzywa sproszkowanego, lub rzadziej w stanie plasty­cznym, w strumieniu gazu i ciepła

z pistoletu nanoszącego (natryskowego) na powierzchnię przedmiotu, nagrzewanie warstwy powierzchniowej przedmiotu, sta­pianie tworzywa i łączenie adhezyjne z materiałem przedmiotu oraz kohezyjne ze sobą, a następnie zestalanie lub utwardzanie tworzywa

i ochładzanie przedmiotu z naniesioną powłoką. Źródłem ciepła stapiającego tworzywo

i nagrzewającego przedmiot jest płomień powstający podczas spalania gazu palnego. 

Cechami charakterystycznymi nanoszenia polewającego są: stan ciekły tworzywa wejściowego do procesu nanoszenia oraz ciągłość samego procesu, związana z na­noszeniem tworzywa na przedmioty o dużych rozmiarach lub na wstęgi. Nanoszenie to dzieli się na swobodne i wymuszone.

Cechą nakładania swobodnego jest bezpośrednie polewanie ciekłym two­rzywem przedmiotu o stosunkowo dużym polu powierzchni przeznaczonej do nakładania. Na ogół przedmiot umieszcza się na przenośniku taśmowym i przepro­wadza przez płaski strumień spływającego swobodnie tworzywa prostopadle do powierzchni do nanoszenia, które w miarę przesuwania się przedmiotu pokrywa jego powierzchnię. Przedmiot może być nagrzany wstępnie, np. promiennikowo, a po naniesieniu tworzywa wprowadzany do tunelu grzejnego w celu zestalenia lub utwardzenia powłoki. Nanoszenie swobodne znalazło duże zastosowanie w nanosze­niu powłok poliestrowych na elementy mebli. W tym przypadku jeden strumień stanowi żywica poliestrowa modyfikowana, natomiast drugi -środki pomocnicze, lub środki pomocnicze są w dwóch strumieniach, jak np. w rozwiązaniu firmy Biirkle (Niemcy). Strumienie przepływają w obiegu zamkniętym w sposób ciągły w układach ze stale pracującymi pompami. Prędkość przedmiotu wynosi zazwyczaj 1 - 3 m/s. Maszyny służące do polewającego nanoszenia swobodnego noszą nazwę polewarek. 

Proces nanoszenia zanurzeniowego polega na zanurzeniu przedmiotu w tworzywie będącym w stanie ciekłym lub plastycznym, odczekaniu określonego czasu, wynu­rzeniu przedmiotu

i następnie zestaleniu bądź utwardzeniu tworzywa powłoki. W czasie przebywania przedmiotu w tworzywie przywiera ono adhezyjnie do uprzednio przygotowanej jego powierzchni oraz tworzy powłokę. Nanoszenie zanurzeniowe stosuje się w dużej mierze do wytwarzania powłok na elementach o dużych rozmiarach z PVC w postaci plastizolu. Plastizol PVC odznacza się małą adhezją do wielu materiałów, dlatego najpierw nanosi się między warstwę o dobrej adhezji zarówno do materiału przedmiotu, jak i plastizolu PVC, często również zanurzeniowo. Po wysuszeniu między warstwy przedmiot można przed procesem zanurzenia nagrzać, co przede wszystkim powiększa grubość powłoki formowanej wstępnie. Prędkość zanurzania wynosi 200 /min, wynurzania zaś 100-600 mm/min. Czas przebywania przedmiotu w plastizolu PVC wynosi około 15-60s. Powłoka formowana wstępnie charakteryzowana jest grubością i masą odniesioną do jednostki jej pola powierzchni. Aby otrzymać ostatecznie uformowaną powłokę, należy najpierw przeprowadzić żelowanie plastizolu PVC tworzącego powłokę uformowaną wstępnie.

Żelowanie jest procesem fizycznym zachodzącym w układzie polimer PVC - plastyfikator,

w temperaturze 180- w czasie 30-60 min, obejmującym solwatacje - stopniowe przenikanie plastyfikatora w głąb cząstek polimeru i ich pęcznienie. Podczas ochładzania następuje ustalenie adhezji i zestalenie jednolitej powłoki. 

Podjęta problematyka w wcześniejszych akapitach skłania jeszcze do przedstawienia głównych właściwości powłok z tworzyw sztucznych.

1. Właściwości powłok z tworzyw sztucznych

Właściwości powłok uzależnione są głównie od technologii ich nanoszenia. Technologiczna cechą charakterystyczna większości powłok z tworzyw sztucznych jest formowanie ich w podwyższonych temperaturach. W rezultacie ogrzewania spada lepkość tworzyw sztucznych, co umożliwia dokładne wypełnienie powierzchni podłoża. Dzięki temu można uzyskać dużą powierzchnię kontaktu adhezyjnego regenerowanego elementu

z powłoką.

Duża przyczepność powłoki do regenerowanego elementu jest zapewniona przez obecność polarnych grup funkcyjnych zawartych w makrocząsteczkach tworzyw powłokowych oraz powstałych podczas nanoszenia.

Powłoki z tworzyw sztucznych które wykorzystujemy podczas regeneracji elementów maszyn pozbawione są również porów i mikropęknięć, dlatego lepiej chronią podłoże przed korozją niż np. powłoki malarskie.

Doskonałe właściwości izolacyjne i ślizgowe są chyba jednak najważniejsze pod względem regeneracji elementów maszyn, bowiem zapewniają ochronę przed ponownym szybkim zużyciem, a następnie zniszczeniem danego elementu.

1. Podsumowanie

Dzięki bardzo dobrym właściwością powłok z tworzyw sztucznych mogą one być stosowane coraz częściej i przede wszystkim w coraz bardziej zadawalającym stopniu do regeneracji elementów maszyn. Łatwość formowania, mała gęstość, dobra odporność chemiczna oraz bardzo duża żywotność bez konieczności konserwacji zapewnia tworzywom sztucznym czołowe miejsce na liście tworzyw, które współcześnie wykorzystujemy do różnych celów, a takie cechy jak duża żywotność w połączeniu z dobrym wyglądem otrzymanych elementów po dodaniu do tworzyw sztucznych barwników powoduje ze doskonale spisują się właśnie w roli materiałów wykorzystywanych do regeneracji elementów maszyn. Służyć mogą do ochrony i regeneracji elementów konstrukcyjnych, zbiorników, wałów oraz innych urządzeń mechanicznych. Stosowane są również do regeneracji elementów w elektrotechnice, tj. cewki, kondensatory, oporniki i silniki, a ich doskonałe właściwości ślizgowe wykorzystywane są do regeneracji przekładni i produkcji łożysk.

Mamy nadzieję, że udało się nam przedstawić główne właściwości powłok z tworzyw sztucznych i technologie ich nanoszenia. Niewątpliwie tworzywa sztuczne dzięki bardzo dobrym właściwościom i przy wspaniałej technice, jaką dziś dysponujemy stanowią świetną alternatywę dla innych materiałów przy regeneracji elementów maszyn, a możliwość barwienia powłok pozwala na łączenie walorów regeneracyjnych i ochronnych

z dekoracyjnymi.

Literatura:

1. Kucharczyk W., Żurowski W. „ Przetwórstwo tworzyw sztucznych dla mechaników” Radom, Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, 2005

2. Sikora R.: „Przetwórstwo tworzyw polimerowych” ,

Wyd. Politechniki Lubelskiej, 2006

1. Saechtling H. „ Tworzywa sztuczne: poradnik” ,

Warszawa, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, 2007