Технологический процесс производства защитно-декоративного порошкового покрытия с использованием цинкосодержащего грунтовочного слоя

В этой публикации рассказывается о технологии порошкового покрытия разработанной компанией Jotun. Основой технологии является эпоксидное порошковое лакокрасочное покрытие с высоким содержанием цинка Corro-Zinc 97, разработанного в качестве грунтовочного покрытия на фасфатированные или обработанные пескоструйным методом стальные поверхности. Corro-Zinc 97 даёт превосходную стойкость к коррозии, превосходные механические свойства и межслойную адгезию, очень хорошие дегазирующие свойства, очень хорошую контурную кроющую способность и хорошую растекаемость.
Для защиты стальных поверхностей в условиях эксплуатации с наличием агрессивной среды которой может являться морская вода, химические реагенты для борьбы с обледенением автодорог, сельскохозяйственные удобрения, активные моющие вещества или в том случае если необходимо защитить несущие стальные конструкции зданий и сооружений с повышенными требованиями к надёжности, обычно применяются металлические защитные покрытия, получаемые различными способами. Наиболее распространённым методом защиты стальных конструкций с повышенными требованиями к антикоррозийной защите является горячие оцинкование и набирающее популярность диффузионное оцинкование. Эти способы имеют технологические ограничения и высокую стоимость, обусловленную крупными капиталовложениями в оборудование и большими эксплуатационными расходами из-за высокой энергоёмкости процессов.

На фото утомившийся лаборант после тяжёлого трудового дня проведённого в поисках наилучшей технологии защиты металлических поверхностейпорошковыми покрытиями.  

Технологический процесс производства защитно-декоративного порошкового покрытия с использованием цинкосодержащего грунтовочного слоя:

1. Подготовка поверхности

Общее качество лакокрасочного покрытия зависит в значительной степени от качества предварительной подготовки поверхности.
Способы предварительной подготовки поверхности в зависимости от предъявляемых требований к коррозийной стойкости:

Средняя стойкость (категория коррозии C3*)

Фосфат железа или пескоструйная очистка (SA 2.5 с профилем 40-80 мкм).

Этот способ подготовки поверхности рекомендуется применять для металлических изделий работающих внутри помещений.

Высокая стойкость (категория коррозии C4*)

Фосфат цинка или пескоструйная очистка (SA 2.5 с профилем 40-80 мкм) в комбинации с фосфатом железа.

Этот способ подготовки поверхности рекомендуется применять для металлических изделий работающих в сельской местности вдали от автомобильных дорог, не контактирующих с морской водой.

Очень высокая стойкость (категория коррозии C5 - M/I*)

Пескоструйная очистка (SA 2.5 с профилем 40-80 мкм) в комбинации с фосфатом цинка, в качестве альтернативы возможна замена цинкафосфатирования конверсионными покрытиями Oxsilan или BONDERITE M-NT. 

Этот способ подготовки поверхности рекомендуется применять для металлических изделий работающих в контакте с морской водой, судовых конструкциях, конструкциях работающих в непосредственной близости от автомобильных дорог, а также для защиты деталей транспортного машиностроения. 

* Обращаться к стандарту ISO 12944-2 (classification of environments - классификация среды) 

     2.   Сушка изделия

После нанесения конверсионного слоя изделие промывается деми водой, остатки которой необходимо удалить с поверхности. Сушка изделия может производится тремя способами:

1. Циркулирующем горячем воздухом в сушильной камере 20-30 мин. при температуре 120-140ºС. При использовании этого метода сушки необходимо обеспечить охлаждение изделия перед нанесением порошковой краски до max. 40ºС. Именно охлаждение изделия, а не поверхности изделия, так как если толщина металла значительная, то при охлаждении струями воздуха, поверхность металла охлаждается, а внутри он остаётся горячем. Если температура поверхности металла при нанесении будет более 40ºС, будет происходить процесс неравномерной преждевременной полимеризации и в лучшем случае вы получите неравномерную шагрень. 
2. Струями горячего воздуха. Этот метод менее эффективен, более энергоёмкий, менее производительный. Но позволяет избежать перегрева поверхности изделия и практически сразу отправлять изделие в камеру нанесения порошковой краски. 
3. Сушка изделия на спокойном воздухе. Это самый дешевый способ, требует наличия чистой зоны сушки с минимальной влажностью воздуха. При поточном производстве этот способ является нерациональным.   

     3.   Нанесение первого (грунтовочного) слоя Corro-Zinc 97

Технология нанесение Corro-Zinc 97 не чем не отличается от технологии нанесения обычных порошковых красок. Corro-Zinc 97 изготавливается для электростатического или трибостатического распыляющего оборудования. Температура поверхности окрашиваемого металла - max. 40ºС.

     4.   Полимеризация Corro-Zinc 97

Режимы полимеризации:

10 минут при температуре объекта 180ºС
6 минут при температуре объекта 200ºС

Рекомендуется провести частичное отверждение Corro-Zinc 97 перед тем, как наносить верхний слой лакокрасочного покрытия (3-5 минут при температуре объекта 180ºС или 2-3 минуты при температуре объекта 200ºС). Затем композиция полимеризуется в соответствии со спецификацией верхнего слоя лакокрасочного покрытия. Испытания показали, что при частичной предварительной и полной последующей полимеризации совместно с верхним слоем, Corro-Zinc 97 + финиш Corro-Coat PE/PE-F даёт превосходные результаты.
Свойства межслойной адгезии и полная композиция полимеризации всегда должы быть проверены. Нанесение верхнего слоя лакокрасочного покрытия должно производится не позднее, чем через 12 часов после нанесения Corro-Zinc 97. Рекомендуется использовать наиболее короткий интервал.

     5.   Охлаждение изделия

После частичной полимеризации грунтовочного слоя Corro-Zinc 97, изделие необходимо охладить до max. 40ºС на спокойном воздухе либо методом обдува. При планирование производства следует учитывать факт того, что чем ниже интервал времени между нанесением слоёв, тем выше качество покрытия. Максимальный интервал - 12 часов.

Учитывая факт того, что переход с одной краски на другую, является времяёмким, при нанесении порошка Corro-Zinc 97 и Corro-Coat PE в одной камере, для повышения производительности следует планировать производство таким образом, чтобы количество "подвесов" деталей соответствовало производительности операционного узла в интервале 12 часов. 

     6.   Нанесение верхнего слоя Corro-Coat PE

Технология нанесение Corro-Coat PE не чем не отличается от стандартных методов нанесения порошковых красок. Corro-Coat PE изготавливается для электростатического или трибостатического распыляющего оборудования. Температура поверхности окрашиваемого изделия - max. 40ºС.

     7.   Полимеризация Corro-Coat PE

Режимы полимеризации:

20 минут при температуре объекта 170ºС
12 минут при температуре объекта 180ºС  

8 минут при температуре объекта 200ºС

При полимеризацие Corro-Coat PE грунтовочный слой Corro-Zinc 97 полимерезуется полностью. 

Метод частичной полимеризации грунтовочного слоя позволяет снизить энергозатраты и повысить производительность полимеризационной печи.

Технические характеристики  Corro-Zinc 97 

Ниже приводятся технические характеристики, типичные для Corro-Zinc 97, нанесённые на стальные листы толщиной 0,8 мм, с предварительно нанесённым цинкофосфатным покрытием 60 - 80 мкм.

• Адгезия по EN ISO 2409 (ГОСТ Р 54563—2011) (2 mm) - Метод перекрёстных надрезов Gt0 (100% адгезия).
• Прочность при ударе ASTM D 2794 (5/8" шар) - ˃ 60 дюйм - фунтов без нарушения лакокрасочного покрытия.
• Изгиб по Эриксену (мм) по EN ISO 1520 - Удовлетворительно, 5 мм без нарушения лакокрасочного покрытия.

Технические характеристики Corro-Coat PE 

Ниже приводятся технические характеристики порошкового покрытия Corro-Coat PE серии 50 толщиной покрытия 65 микронов, нанесённого на стальной лист холодного проката толщиной 0,8 мм, с предварительно нанесённым цинкофосфатным покрытием 60 - 80 мкм.

• Адгезия по EN ISO 2409 (ГОСТ Р 54563—2011) (2 mm) - Метод перекрёстных надрезов Gt0 (100% адгезия).
• Прочность при ударе ASTM D 2794 (5/8" шар) - ˃ 60 дюйм - фунтов без нарушения лакокрасочного покрытия.
• Изгиб по Эриксену (мм) по EN ISO 1520 - Удовлетворительно, 5 мм без нарушения лакокрасочного покрытия.
• Гибкость EN ISO 1519 - Большинство изделий могут выдерживать изгиб до диаметра 12 мм - без нарушения лакокрасочного покрытия 
• Твёрдость плёнки EN ISO 2815 - Твёрдость измерена вдавливанием по методу Бухгольца - более 70.
• Антикоррозийная защита (соляной туман) ASTM B 117 -Превосходно. Измерено путём наблюдений за образованием пузырьков и потери адгезии.
• Устойчивость к влажной атмосфере DIN 50017 - Превосходно. Измерено путём наблюдений за образованием пузырьков и потери адгезии.
• Устойчивость к УФ излучению ASTM G 154 (UVB-313) - Превосходно. Измерено путём наблюдений за сохранением цвета и блеска. 

Результаты испытаний

Результаты проводились для комбинации из Corro-Zinc 97 и Corro-Coat PE/PE-F (гладкий блестящий) в качестве верхнего слоя лакокрасочного покрытия.

Испытание 1:

Испытания проводились на стальной пластине толщиной 0,8 мм, предварительно обработанным цинкофосфатные покрытием, и на стальной пластине толщиной 3.0 мм, предварительно очищенной пескоструйным методом, с цинкофосфатным покрытием. Общая толщина покрытия 160 мкм (80 мкм + 80 мкм)

Стандарты и результаты испытания: 

• Адгезия по EN ISO 2409 (ГОСТ Р 54563—2011) (2 mm) - Метод перекрёстных надрезов Gt0 (100% адгезия).
• Стойкость к действию соляного тумана ISO 7253 - После 1440 часов: макс. 1.0 мм подреза
• Стойкость против конденсации влаги ISO 6270 - После 1440 часов: не образуется вздутие, не подвергается коррозии, не образуется трещин или чешуйчатое отслаивание. 

Испытание 2:

Испытания проводились на стальном листе St52 с предварительной пескоструйной обработкой (Sa 2.5). Общая толщина плёнки 200 мкм (100 мкм + 100 мкм).

Стандарты и результаты испытания: 

• Стойкость к действию соляного тумана ISO 7253 - После 1440 часов: Метод перекрёстных надрезов Gt0, макс. 1.0 мм подреза, не образуется вздутие, не подвергается коррозии, не образуются трещины или чешуйчатое отслаивание.  
• Стойкость против конденсации влаги ISO 6270 - После 720 часов: Метод перекрёстных надрезов Gt0 не образуется вздутие, не подвергается коррозии, не образуется трещин или чешуйчатое отслаивание. 
• Влажная атмосфера содержащая в себе диоксид серы ISO 3231 - После 30 циклов: Метод перекрёстных надрезов Gt0, менее чем 0,5 мм подреза, не образуется вздутие, не подвергается коррозии, не образуются трещины или чешуйчатое отслаивание.

Испытание 3:

Испытания проводились на стальной пластине толщиной 0,8 мм, предварительно обработанным железофосфатные покрытием. Общая толщина плёнки 155 мкм (75 мкм + 80 мкм).

Стандарты и результаты испытания: 

• Циклическое испытание на коррозийную стойкость ISO 11997-1 - После 2000 часов: 2,4 мм подреза.

Испытания проводились Дрезденским институтом защиты от коррозии (Institut für Korrosionsschutz Dresden GmbH), привели к выводу, что система Corro-Zinc 97 и Corro-Coat PE-F 2197 специфицированная как ВЫСОКАЯ для категории коррозийной активности C5-I, С5-M и С4 в соответствии со стандартом DIN EN ISO 12944, часть 6 (лабораторные методы эксплуатационных испытаний). 

Дополнительная техническая информация 

Corro-Zinc 97:

Поставляется в готовом виде в полуматовом сером неотбеленном оттенке, с уровнем блеска от 60 ± 10 (угол измерения 60˚ в соответствии со стандартом EN ISO 2813).

Относительный удельный вес 3,1 ± 0,1kg/dm³

Условия хранения:

В прохладном сухом помещении. Максимальная температура хранения 25˚С. Максимальная относительная влажность воздуха 60%

Corro-Coat PE:

Не содержит вредных для человека триглицидилизоциануратов. Производится по спецификации заказчика в широком диапазоне цветов и оттенков, включая все цвета RAL и NCS. Продукт образует как гладкие, так и структурированные поверхности. Гладкие поверхности имеют диапазон уровня блеска от 20 до 95% (угол измерения 60˚ в соответствии со стандартом EN ISO 2813).

Условия хранения:

В прохладном сухом помещении. Максимальная температура хранения 25˚С. Максимальная относительная влажность воздуха 60%

Дополнительную информацию запрашивайте у представителя производителя. В РФ порошковые краски JOTUN представляет компания ЗАО "ПОЛИТЕГ ХОЛДИНГ"

Заключение

Технология защиты металлических поверхностей трёхслойным покрытием:

Слой№1 – Конверсионный (замена фосфатирования тонкими керамическими плёнками Oxsilan или BONDERITE M-NT).

Слой№2 – Грунтовочный (эпоксидное порошковое лакокрасочное покрытие с высоким содержанием цинка).

Слой№3 – Финишный (полиэфирное порошковое лакокрасочное покрытие для наружной эксплуатации).

В ряде случаев является наилучшей доступной технологией для получения декоративно-защитных покрытий металлических конструкций и деталей с повышенными требованиями к антикоррозионной защите эксплуатируемыми в агрессивных средах при контакте с морской водой, активными моющими средствами, удобрениями. Данный метод подходит также для защиты и декорирования изделий транспортного машиностроения.
Технология является экологически безопасной и энергоэффективной по отношению к технологиям нанесения гальванических защитных покрытий методами погружения в расплав цинка или термодиффузионным методом + финиш ЛКМ.
Важным компонентом покрытия является конверсионный слой. В настоящий момент общепринятым промышленным стандартов являются применение кристаллические фосфатные покрытия широко для защиты металлов от коррозии в качестве адгезионного подслоя под лакокрасочные покрытия.
Современные растворы для осаждения кристаллических фосфатных покрытий содержат в своем составе такие токсичные компоненты, как нитрит-ионы, входящие в состав нитрат-нитритного ускорителя, и ионы никеля, которые вводят в раствор для увеличения защитной способности фосфатных покрытий. Нитрит-ион не только токсичен, но и весьма неустойчив, поэтому его применение не только повышает экологическую опасность растворов, но и усложняет технологию из-за необходимости постоянного дозированного добавления его в раствор в процессе фосфатирования. Использование соединений никеля в составе растворов фосфатирования приводит ещё и к удорожанию последних.
Исходя из вышеизложенного имеет смысл заменять фосфатные покрытия современными нанокерамическими покрытиями Oxsilan или BONDERITE M-NT. Это снизит не только экологическую нагрузку на окружающую среду, но и повысит производительность и снизит расходы на производство.

Технологические нюансы производства

После нанесения конверсионного слоя необходимо просушить изделие в сушильной камере с циркуляцией воздуха при температуре 110 – 120˚С в течении 20 – 30 минут. Это операция нагревает изделие, необходимо снизить температуру изделия до 35, максимум 40˚С.

Учитывая высокую трудоёмкость очистки камеры нанесения порошковых красок, необходимую для перехода на другой тип краски с целью обеспечения возможности качественной рекуперации ЛКМ, наиболее целесообразно использовать 2 камеры нанесения. Если такой возможности нет, то следует обеспечить возможность замкнутого цикла порошковой окраски:

1. Нанесение грунтовочного слоя
2. Частичная полимеризация
3. Охлаждение
4. Возвращение изделия в камеру нанесения
5. Нанесение финишного слоя
6. Полная полимеризация

Для этого необходимо организовать накопитель во избежание остановки производственного процесса в период остывания окрашиваемых объектов. Температура поверхности окрашиваемого изделия недолжна превышать 40˚С, при этом интервал между нанесением слоёв в случае применения технологии частичной полимеризации первого слоя должен быть минимально возможным и не более 12 часов. 

Выражаю благодарность за информационную поддержку сотрудникам компании ЗАО "ПОЛИТЕГ ХОЛДИНГ":

Старшому менеджеру отдела оборудования – Романову Дмитрию Евгеньевичу

Старшому менеджеру отдела порошковых красок – Охотниковой Ирине Евгеньевне 

За содействие в проведении испытаний выражаю благодарность Юло и Кристи Унтало и студентам Таллиннского университета.

Особая благодарность Тамаре Аскеровой за сбор и анализ информации.