Tworzywa można nanosić trwale na powierzchnię innych materiałów otrzymując z nich powłoki ochronne i dekoracyjne. Podczas nanoszenia powłokotwórcze tworzywo wejściowe może być w stanie:
- stałym,
- plastycznym,
- ciekłym.
W każdym jednak przypadku, aby wytworzyć niezbędną adhezję pomiędzy tworzywem a materiałem, na który się je nanosi, co jest podstawowym warunkiem uzyskania użytecznej powłoki, tworzywo musi zostać przeprowadzone w stan ciekły, ewentualnie plastyczny, umożliwiający zwilżanie powierzchni materiału i następnie adsorpcję, a sama warstwa wierzchnia materiału odpowiednio przygotowana. Znanych jest kilka odmian nanoszenia, z których duże znaczenie mają następujące odmiany:
- nanoszenie fluidyzacyjne,
- nanoszenie elektrocieplne,
- nanoszenie (natryskiwanie) płomieniowe,
- nanoszenie polewające,
- nanoszenie natryskowe,
- nanoszenie zanurzeniowe.
Do nanoszenia tworzyw nie zalicza się umownie wytwarzania powłok sposobami malarskimi. Tworzywo wejściowe do nanoszenia w stanie plastycznym lub w stanach plastycznym i ciekłym występuje w postaci pasty, układu dyspersyjnego lub roztworu. W przypadku PVC pasta nosi nazwę plastizolu a w szczególnym przypadku organozolu.
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. Schemat fluidyzatora: |
---|
1 - pojemnik, 2 - dno lite, 3 - dno porowate, 4 - zawór, 5 - złoze fluidalne, 6 - przedmiot, na który nanosi się tworzywo |
Typowy fluidyzator składa się z pojemnika, w którym znajduje się stosunkowo nieduża ilość tworzywa w postaci proszku z ziarnami o rozmiarach od 50 do 250 µ m, poprzez dno doprowadza się do pojemnika pod małym ciśnieniem gaz. Ciśnienie i ilość gazu regulowane są zaworem (4). Powstaje w ten sposób złoże fluidalne. Jako gaz fluidyzujący stosuje się najczęściej powietrze, w niektórych jednak przypadkach nanoszenia powłok z tworzyw stosunkowo łatwo ulegających utlenianiu można używać azotu lub dwutlenku węgla. Złoże fluidalne powstaje wtedy, gdy siła ciężkości P, proszku tworzywa zrówna się z siłą parcia P, gazu na jego powierzchnię. Siły te wyraża się wzorami: Podczas nanoszenia 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. Schemat urządzenia do nanoszenia elektrostatycznego tworzywa sproszkowanego: |
1 - generator wysokiego napięcia prądu stałego, 2 - głowica napylająca , 3 - zbiornik na tworzywo, 4 - przedmiot, na który nanosi się tworzywo (uziemiony), 5 - wieszak na przedmiot, 6 - pole elektryczne , 7 - obudowa kabiny, 8 - odciąg odpylający, 9 - przewód do odzyskanego proszku |
Tworzywo powłokowe występuje w postaci proszku o rozmiarach ziarn 20 do 100mm. W procesie nanoszenia elektrostatycznego następuje najpierw elektryzowanie cząstek tworzywa znajdującego się w głowicy napylającej. Elektryzowanie zachodzi pod wpływem kilku czynników: styku cząstek z materiałem głowicy i otaczającym zjonizowanym powietrzem, w wyniku polaryzacji cząstek oraz przez adsorpcję jonów wskutek dyfuzji i bombardowania. Ruch cząstek w polu elektrycznym zachodzi najpierw pod wpływem sił pochodzących od sprężonego powietrza i następnie w zasadniczy już sposób pod wpływem sił elektrostatycznych. Cząstki osadzają się na przedmiocie na skutek przyciągania ich przez przeciwnie naładowane cząsteczki przedmiotu. Osadzanie trwa dopóki siła przyciągania cząstek przez przedmiot nie zostanie zrównoważona przez sumę sił odpychających poszczególne ujemnie naładowane cząstki. Dzięki ładunkowi elektrostatycznemu powłoka z napylonego proszku, uformowana wstępnie, utrzymuje się na przedmiocie długi czas. Przedmiot umieszcza się następnie w komorze lub tunelu grzejnym w temperaturze nieco przekraczającej temperaturę topnienia tworzywa, co powoduje stopienie proszku, jego adhezyjne łączenie z materiałem przedmiotu oraz ostateczne formowanie powłoki. Proces kończy wyjęcie przedmiotu z komory lub tunelu z naniesioną powłoką i ochłodzenie. Najkorzystniejsze są tunele bądź komory z ogrzewaniem promiennikowym lub indukcyjnym, zapewniającym stapianie proszku w kierunku od powierzchni przedmiotu. |
W procesie nanoszenia (natryskiwania) 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. Schemat urządzenia do nanoszenia płomieniowego: |
1 - pistolet nanoszący , 2 - przewód doprowadzający tworzywo w strumieniu sprężonego powietrza , 3 - zbiornik tworzywa , 4 - lej , 5 - inżektor , 6 - dysza , 7 - włącznik elektryczny , 8 - wibrator ułatwiający zabieranie tworzywa , 9 - butla gazu palnego , 10 - reduktor |
Schemat procesu napylania płomieniowego: A B C D - poszczególne fazy procesu 1 - palnik pierścieniowy pistoletu 2 - końcówka pistoletu 3 - dysza rozpylająca pistoletu 4 - płomień 5 - strumień proszku tworzywa w mieszaninie powietrza i spalin 6 - strumień spalin 7 - powłoka 8 - przedmiot A - faza mechaniczna - obejmuje podawanie zawiesiny cząstek tworzywa i sprężonego powietrza z zasobnika do dyszy rozpylającej pistoletu nanoszącego (ciśnienie powietrza wynosi 0,08-0,15 Mpa); B - faza cieplna - obejmuje stapianie cząstek tworzywa na skutek spalania gazu palnego (na ogół acetylenu) w obecności tlenu zawartego w powietrzu, temperatura spalin wynosi 720-1200°C, temperatura płomienia acetylenowo - powietrznego sięga 2100°C; C - faza lotu - cząstkom tworzywa nadaje się przyspieszenie i rozpyla się je za pomocą strumienia mieszaniny rozprężającego się powietrza i spalin; D - faza łączenia - następuje łączenie adhezyjne stopionych z zewnątrz i uplastycznionych we wnętrzu cząstek tworzywa z nagrzanym materiałem przedmiotu, z jednocześnie przebiegającym łączeniem kohezyjnym cząstek w powłokę. Ze względu na wady nanoszenia płomieniowego, zwłaszcza nieuchronne nierównomierne stapianie i uplastycznianie proszku, a nawet depolimeryzację niektórych cząstek, trudno jest uzyskać powłoki o dobrej jakości. Z tego powodu nanoszenie to jest wypierane głównie przez nanoszenie fluidyzacyjne, elektrostatyczne i zanurzeniowe |
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.
Istota nanoszenia swobodnego polega na bezpośrednim polewaniu ciekłym tworzywem przedmiotu o stosunkowo dużym polu powierzchni przeznaczonej do nanoszenia. 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 swobodnego - schemat ogólny: |
---|
1 - przenośniki taśmowe , 2 - przedmiot do nanoszenia , 3 - strumień modyfikowanej żywicy poliestrowej , 4 - strumień środków pomocniczych , 5 - dysze szczelinowe , 6 - leje odbierające |
Nanoszenie poprzez natryskiwanie tworzyw w stanie ciekłym znalazło szczególne zastosowanie w odniesieniu do wodnych układów dyspersyjnych (dyspersji wodnych - hydrozoli). Proces formowania wstępnego powłoki z wodnych układów dyspersyjnych obejmuje następujące fazy:
a) cząstki polimeru o rozmiarach 0,1-5mm są otoczone błonką koloidu ochronnego lub emulgatora i rozdzielone wodą; w pierwszej fazie tworzenia się powłoki woda odparowuje;
b) cząstki zbliżają się do siebie, ale pozostają w dalszym ciągu rozdzielone wodą
c) odległość między cząstkami zmniejsza się do rozmiarów kapilarnych;
d) w wyniku działania sił kapilarnych cząstki zbliżają się nadal i dążą do ściślejszego upakowania, wypierając wodę z koloidem ochronnym i emulgatorem, powierzchnię styku cząstek ze sobą i materiałem przedmiotu powiększają się, rośnie adhezja, a falista powierzchnia powłoki ulega wygładzeniu.
Opisany proces dla danego wodnego układu dyspersyjnego zależy głównie od temperatury. Za najniższą temperaturę formowania wstępnego powłoki MFT (ang. Minimum Film Temperature) przyjmuje się temperaturę, w której dany wodny układ dyspersyjny ma zdolność do tworzenia powłoki jednolitej. Wodny układ dyspersyjny nanosi się na przedmiot, z odpowiednio przygotowaną powierzchnią, głównie poprzez natryskiwanie za pomocą pistoletów pneumatycznych z dyszą o średnicy 0,4 - 0,6 mm, stosując ciśnienie powietrza 0,15 - 0,20 MPa. Często po przygotowaniu powierzchni najpierw nanosi się między warstwę, a dopiero później powłokę z tworzywa, jedno- lub wielokrotnie w zależności od potrzeb. Jako między warstwę stosuje się powłokę metalową o grubości 25 - 50 mm, z materiałów ceramicznych o grubości do 200 mm lub emalii. Formowanie ostateczne powłoki polega na jej suszeniu na ogół przy nagrzewaniu promiennikowym i następnie na nagrzaniu przedmiotu z wysuszoną powłoką do temperatury powodującej topnienie tworzywa, co ostatecznie konstytuuje adhezję do materiału przedmiotu i kohezję powłoki. Nanoszenie natryskowe stosuje się przede wszystkim do wodnych układów dyspersyjnych PTFE i kopolimeru VC/VAC.
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 -1500 mm /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 180-190°C 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.
Formowanie wstępne powłoki odbywa się za pomocą urządzeń składających się z:
- wanny napełnionej plastizolem PVC
- z wężownicy z wodą chłodzącą, gdyż nagrzane przedmioty przenoszą dużo ciepła do plastizolu
- mieszadła ślimakowego do utrzymania jednakowej lepkości plastizolu i do ułatwiania opróżniania wanny
- układu napędowego mieszadła
Duże zastosowanie znalazło nanoszenie zanurzeniowe do wytwarzania powłok na elementach elektronicznych. Traktowane jest ono w przemyśle elektronicznym jako jedna z metod hermetyzacji i odlewania. Specyficzne jest stosowanie nanoszenia zanurzeniowego do uszczelniania odlewów. Tworzywo w takim przypadku musi odznaczać się dostatecznie małą lepkością, aby mogło swobodnie wnikać w pory odlewu. Do uszczelniania zanurzeniowego stosuje się tworzywa, których podstawowym składnikiem są żywice epoksydowe, fenolowe, poliestrowe i silikony. Istota procesu polega na umieszczeniu odlewu w komorze urządzenia do uszczelniania i wypełnieniu komory ciekłym tworzywem, z zastosowaniem podwyższonego ciśnienia (uszczelnienie ciśnieniowe), obniżonego ciśnienia (uszczelnienie próżniowe) i wreszcie najpierw obniżonego ciśnienia i następnie podwyższonego ciśnienia (uszczelnianie próżniowo - ciśnieniowe). W czasie działania tworzywa na odlewie wnika ono w jego pory.