Глава 4.
Современная класификация
Все мы знаем эти волшебные аббревиатуры: LS. MS, HS, UHS или VHS. Они говорят о концентрации полимера (содержании нелетучих веществ) в лакокрасочном материале. LS (Low Solid) — концентрация низкая (содержание низкое), материалы низконаполненные, т. е, в них содержится малое количество сухого вещества: MS (Medium Solid) — средненаполненные, содержание сухого вещества среднее; HS (High Solid) — высоконаполненные, содержание сухого вещества высокое; ну а что такое UHS/VHS/HD (Ultra High Solid/Very High Solid/High Density), мы думаем, вы без труда догадаетесь сами.
Лучше понять, что подразумевается здесь под различной степенью концентрации, поможет простой пример: насыплем сахар или соль в воду и попробуем их растворить. До определенного момента они будут растворяться, потом раствор достигнет стадии перенасыщения и произойдет его кристаллизация. Более эффективного растворителя для сахара или соли, чем вода, не существует — мы не можем добавлять в кристаллизовавшийся раствор еще какое-нибудь вещество и продолжать реакцию, чтобы растворять сахар или соль еще больше.
С полимерами немного другая история. Их растворимость зависит как от молекулярной массы и химического состава, так и от применяемых растворителей. Использование более эффективных растворителей и полимеров с оптимальными характеристиками позволяет существенно повысить концентрацию «сахарного сиропа». Отсюда и пошли низко-, средне- и высоконаполненные материалы. Поэтому, по большому счету, развитие красок в последние лет 10 сводилось не к развитию самих красок как таковых, а к синтезу новых полимеров-связующих и совершенствованию растворителей (имеется в виду не то, что мы наливаем, а то, в чем растворен полимер, поскольку те жидкие субстанции, которые мы добавляем в краску перед нанесением для приведения ее к заданной вязкости, называются разбавителями или разжижителями).
И совершенствовались они совсем не для того, чтобы малярам работалось легче. Опять же, бравые экологи выказали свое неудовольствие неэкологичными низконаполненными материалами.
Если мы возьмем широко распространенные лет 10 назад LS-материалы, то все мы помним, что наносить их надо было в 3 слоя, иначе добиться рабочего слоя краски в 50 - 60 мк на вертикальнои поверхности не представлялось возможным. Если бы мы попытались получить такую толщину за один проход, у нас ничего не получилось бы — эмаль стекла бы на пол, и все. А что поделаешь — материал низконаполненный, молекулы крупные, гораздо более крупные, чем у МS или НS-материалов и расположены куда реже, поэтому, используя его, искомые микроны набираются только за три прохода в среднем по 20 мк на каждый слой.
При такой работе, как вы понимаете, огромное количество летучих веществ выделялось в атмосферу, что, конечно же, не устраивало вездесущих «зеленых» и не соответствовало тем экологическим стандартам, которые по их требованиям в массовом порядке принимались по всему миру, за исключением, к сожалению России.
Причем российское «невмешательство» в мировую политику вылилось даже в то, что и стандарты в этой сфере у нас диаметрально противоположны западным. Сухой остаток они считают в испарении летучих веществ, который измеряется в граммах на литр, а по нашей системе и нашей методике крайне важное значение имеет содержание сухого вещества, наоборот, оставшегося на поверхности. Получается как всегда - они считают то, что улетело, а мы то, что осталось. Что, скорее, свидетельствует о нашем неистребимом оптимизме, как в той популярной притче об «уже наполовину пустом или еще наполовину полном стакане воды» (или чего-либо еще).
В тему:
Часто спрашивают: чем отличается нанесение акриловой краски от нанесения акрилового лака? Отвечаем не задумываясь — никакой разницы нет, поскольку, грубо говоря, акриловая эмаль — это фактически тот же самый акриловый лак, только содержащий цветной пигмент. Поэтому и принципы работы, и температура сушки, и нанесение, и т. д. у них идентичны. Иной раз приходится слышать не совсем грамотное выражение «акрил под лаком». Это все равно что «масло масляное» — совершенно непонятно, о чем речь. Никакого смысла делать так нет, потому что и глянец, и пленка абсолютно одинаковые, что у акриловой эмалевой краски что у акрилового лака. Единственный случай, когда использование этого приема оправданно, это при выполнении ремонта пятном. И в основном для красок с высокой флотацией пигмента (процесс, при котором различные пигменты в зависимости от своего удельного веса занимают различное положение в слое краски), негативные моменты которой особенно ярко проявляются у сложных красок, состоящих из большого количества (8-10) цветовых пигментов — белые, поскольку они самые тяжелые, сразу оседают вниз, синий — он самый легкий — тут же всплывает вверх.
Выполняя ремонт пятном, методом плавного перехода, мы вынуждены некоторые краски разводить очень жидко (вы знаете, что при переходе растворитель добавляется в соотношении где-то 5:1), поэтому в растягиваемом нами тонким слоем клине добиться равномерного распределения пигментов практически невозможно — вследствие флотации пигменты точечно всплывают на поверхность. Мы тащим клин дальше и дальше, а у нас получается один и тот же эффект. Причем сначала его нет, но после испарения растворителя он проявляется в полной мере.
В этом случае — да, «акрил под лаком» вполне применим. Понятно, что основа у нас одна и та же, поэтому, чтобы сгладить зону ремонта, вместо последнего слоя краски прямо на этот безобразный напыл мы можем положить лак.
Если мы обратимся к фактическим цифрам, то увидим, что летучесть LS-материалов составляет порядка 820 - 840 г/л. Плюсуя к этому коэффициент переноса пистолета, который раньше был очень низким, порядка 35-40 %, получаем, что из литра краски у нас не остается практически ничего. Основное количество материала или ушло в опыл, или в виде «летучки» испарилось в воздух. Такая ситуация экологов не устраивала. Под воздействием мировых прогрессивных «зеленых» сил химики начали искать способ сделать материалы менее летучими. Появились растворители, которые позволили растворять усовершенствованные полимеры более эффективно — краски МS. Только здесь надо понимать правильно — они не стали более густыми, нет. В том-то весь фокус и состоит, что при большей концентрации полимера вязкость материала не изменилась. Ведь если бы мы могли без конца перенасыщать раствор, то в конечном итоге получили бы шпатлевку.
Естественно, более концентрированной эмалевой краской мы стали за один проход делать более толстый слой. МS рекомендуется наносить в два слоя и достигать тех же 50-60 мк в два прохода: накладываем один, а через 15-20 минут следующий. Физические параметры материала не изменились, поскольку полимер остался один и тот же — акриловая смола (но с более низкой молекулярной массой, повышающей ее растворимость в меньшем количестве растворителя), а вот летучесть существенно понизилась, в среднем до 600 г/л.
Если смотреть по отечественной методике, то величина сухого остатка на поверхности у этих красок в зависимости от амбиций производителя колеблется между 35 и 55 %.
Высоконаполненные материалы
Но экологи опять не дают покоя химикам. И шестьсот много! Пришлось разрабатывать более совершенные растворители и полимеры, но любой концентрации есть предел, поскольку получить 100 % сухого остатка в банке мы не можем — краска перестанет быть краской. Максимальный предел лежит где-то в районе (если судить по сухому остатку) 82 %, чего удалось достичь у современных высоконаполненных UHS/VHS/HD-материалов. Выше наполнить материал просто невозможно по определению.
Естественно, данные эмалевые краски обладают физическими свойствами, несколько отличными от LS-и МS-материалов. Почему? Дело в том, что у высоконаполненных материалов концентрация полимера настолько высока и система создается настолько напряженной (на единицу объема приходится огромное количество молекул, упакованных как шпроты в банке), что это уже не может не повлиять на вязкость, и данный факт надо непременно учитывать при работе с НS-и UHS-материалами.
Если у LS и МS-материалов мы не заметим изменения вязкости при изменении температуры, то у высоконаполненных материалов она очень ощутима.
Наглядный пример: покроем машину в зимнее время холодным лаком. У нас великолепный розлив, все просто супер, но стоит нам выйти из камеры и включить сушку, как он весь стечет на пол. А получается так потому, что, пока лак был холодным, молекулы располагались близко друг к другу и были малоподвижны, но стоило температуре повыситься, как молекулы начали стремительно двигаться, удаляясь друг от друга (вспомните школу, тепловое расширение, концентрация то у нас ого-го, близка к 80 %), вязкость уменьшилась и лак стал более текучим. Отсюда мораль — на холодном НS или UHS-материале мы никогда не сможем увидеть реальную картину розлива и как следствие не сможем предугадать, что у нас получится в результате окраски. Нам всегда будет казаться, что присутствует шагрень, захочется разлить больше, а к чему это приведет, мы уже сказали.
Пока лак холодный, все отлично, но стоит ему нагреться, как он сразу потечет. Рекомендация здесь одна — всегда доводите НS- и UHS-материалы до оптимальной рабочей температуры. Это первая особенность высоконаполненных материалов. Вторая проявляется при сушке. Все мы знаем, что НS-, UHS- и НD-материалы наносятся одним толстым слоем, причем они реально однослойные.
Тонкий нижний слой нужен нам не для того, чтобы в два прохода набрать необходимую толщину 50-60 мк, как на МS-материале, совсем нет. Мы его делаем весьма условно, это такой туманообразный напыл, необходимый только для того, чтобы материал первично впитался в подложку. Ведь любой материал во всех системах всегда несколько пропитывает подложку, для того чтобы создать более эффективную связку. А впитавшись внизу, он, естественно, просядет сверху. Вот для того, чтобы эта микропросадка и не была заметна на поверхности лакокрасочного покрытия, мы и делаем едва ощутимый нижний тонкий слой и буквально сразу, без выдержки, наносим главный. Именно эта однослойность высоконаполненных материалов как раз и привносит некоторые изменения в процесс их сушки.
Невысоконаполненные материалы
Такие материалы мы наносим в несколько слоев, оставляя 10-15 минут между слоями на испарение летучих растворителей. И после последнего слоя мы делаем такую же паузу, прежде чем включаем сушку.
Совсем другая история с НS- и UHS-материалами. Производя экспресс-ремонт отдельных деталей, когда мы не целиком обливаем автомобиль, мы должны сушку включать сразу. У нас же, по большому счету, один слой, толстая 50-микронная масса (а в жидком виде и все 100 мк), висящая на машине. Мы просто обязаны ее сразу же хорошенько прогреть, иначе она начнет неравномерно выветриваться.
В верхних слоях молекулярные цепочки сошьются (полимеризация пройдет быстрее), а внизу останется довольно-таки приличный объем жидких фракций, растворители из которых устремятся наружу, разрушая образовавшуюся на поверхности пленку. В результате — всем хорошо знакомое кипение. Сразу возникает вопрос, а как быть с полной окраской? Ведь пока мы обойдем всю машину и вернемся в исходную точку, растворитель из нее уже значительно выветрится. Здесь, наоборот надо проводить более длительную продувку, для того чтобы все летучие вещества равномерно испарились до того момента, как начнется нагревание. Высоконаполненным лакам специально придаются такие свойства, в открытом виде они могут стоять минут 20-25. Поэтому, если дело касается полной окраски, то мы должны не менее 20 минут оставлять на продувку при хорошей вентиляции и рабочей температуре.
Под хорошей вентиляцией подразумевается равномерное движение воздуха в зоне покраски со скоростью примерно 0,3-0,4 м/с. Объемы прогоняемого воздуха зависят от объема кабины, где-то не менее 18 000 кубов. Чем хуже вентиляция и ниже температура, тем времени потребуется больше. В связи с этим одно слово по поводу очень распространенного дефекта, котором грешат многие маляры.
Как часто вечером, под самый конец смены, когда мастер спешит домой, чтобы не терять времени завтра или не ждать окончания сушки сегодня, он нагревает камеру, где стоит окрашенная машина, до рабочей температуры и выключает ее, думая, что и в его отсутствие автомобиль спокойно высушится. Утром же его взору предстает ужасная картина (причем во всех случаях одна и та же) — крыша, капот и крышка багажника закипели. На вертикальных деталях дефект практически не проявился, а все горизонтальные испорчены. Это происходит по самой банальной причине — отсутствие вентиляции (или плохая вентиляций) позволило растворителям на верхней поверхности сохнущих деталей образовать пленку которая не дала лакокрасочному покрытию высохнуть равномерно. На вертикальных деталях этот дефект практически не проявляется, потому что, естественно, на горизонтальной поверхности эта пленка более выражена.
В тему:
Подобно слою наполнителя, краски и лаки на заводе наносятся методом электростатического напыления, что сводит к минимуму непродуктивный расход материалов, так называемый опыл, чем в большей или меньшей степени грешат покрасочные пистолеты при пневматическом распылении.
При нанесении «металликов» алюминиевые частицы в слое краски располагаются по преимуществу вертикально, вследствие электростатического метода нанесения. При ремонтной же окраске, в результате пневматического распыления, — в основном горизонтально. Для избежания данного рассогласования отражающих свойств оригинального и ремонтного ЛКП при конвейерной окраске сверху наносится тонкий слой краски путем пневматического распыления. В результате оригинальное покрытие приобретает аналогичные отражающие свойства.
Если этот слой отстутствует или он чересчур тонок, то работа колориста зайдет в тупик, поскольку будет практически невозможно воспроизвести изначальные отражающие свойства ЛКП.
Отдельно надо сказать о сушке самых современных UHS-материалов. Для их сушки желательно задавать температуру даже не + 60 оС, а все + 70 оС. Потому что, опять же, мы накладываем их в один толстенный слой, материал сверхнаполнен, и его надо сразу резко прогреть на всю толщину, чтобы избежать кипения.
§ 1. Высыхание лакокрасочных материалов
Инфракрасная сушка
Итак, процесс высыхания од но компонентных материалов был обусловлен физико-химическими свойствами этих материалов, и мы имели дело с так называемым физическим высыханием. То есть формирование твердого слоя автомобильной эмалевой краски происходило за счет и по мере испарения из жидкой краски растворителей, преимущественно посредством взаимодействия с окружающей средой.
При этом количество связующих веществ не менялось, а сам лакокрасочный слой получался обратимым, поскольку связующие вещества могли растворяться снова. Исключением из этого правила являются алкидные и меламиноалкидные материалы, из которых благодаря протекающим после нанесения реакциям с кислородом формируется тоже необратимое покрытие.
Двухкомпонентные материалы высыхают уже по несколько иной схеме, и главное отличие состоит в том, что при испарении растворителя во время формирования слояэмалевой краски образуются поперечные связи между молекулами связующего вещества. Это происходит благодаря присутствию в лакокрасочном материале отвердителя, способствующего процессу полимеризации.
В результате такого высыхания получается химически более стойкое к агрессивным внешним воздействиям покрытие, нежели в результате физического высыхания. А после того как покрытие стало сухим и твердым (произошло отверждение), оно уже не может быть растворено оригинальными растворителями, т. е. процесс отверждения является необратимым (за исключением, пожалуй, отверждения базы в системе «база под лаком»).
Вследствие самой природы химического высыхания этот процесс может быть ускорен различными способами, и один из них — ускорение времени испарения растворителя (и химических реакций), что достигается посредством увеличения температуры сушки нанесенного лакокрасочного материала. Если после распыления краску нагреть, то это соответственно ускорит процесс ее высыхания.
В тему:
Радиационный теплообмен (лучистый теплообмен, теплообмен излучением) — превращение внутренней энергии вещества в энергию излучения (энергию фотонов или электромагнитных волн), перенос этого излучения в пространстве и его поглощение другим веществом.
Давайте рассмотрим, с какими видами нагревания поверхности для проведения сушки нанесенного лакокрасочного материала мы имеем дело в автомастерской.
Традиционно в большинстве случаев обработанная деталь сушится в окрасочно-сушильной камере, воздух в которой нагревается до определенной температуры (около +60 °С). Нагревание в этом случае происходит конвекционным способом, т. е тепло передается от объекта с большей температурой объекту с меньшей через атмосферу, посредством воздуха. Внешние слои лакокрасочного материала нагреваются в первую очередь, а затем передают тепло внутренним. При этом мы имеем дело уже с теплопроводностью.
Другое дело — радиационное нагревание. Здесь тепло является продуктом поглощения определенного электромагнитного излучения, которым облучается объект сушки.
Электромагнитные волны распространяются в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды.
В вакууме скорость распространения электромагнитных волн приблизительно равна 300 000 км/с.
В однородных изотропных средах направления напряженностей электрических и магнитных полей электромагнитные волны перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны, т. е. электромагнитная волна является поперечной.
При прохождении электромагнитных волн через среду возможны процессы отражения, преломления, дифракции и интерференции, дисперсии и др.
Инфракрасные лучи — часть спектра излучения электромагнитных колебаний, они-то и используются в получивших сейчас широкое распространение инфракрасных сушках.
Для технических целей инфракрасное излучение подразделяется на три группы.
Определяющим фактором излучения является длина волны:
-
между 0,8 и 2,0 мк для коротковолновых ламп;
-
между 2,0 и 4,0 мк для средневолновых ламп;
-
между 4,0 и 6,0 мк для длинноволновых ламп.
Распределение энергии, поступающей от разных источников инфракрасного излучения, различается в значительной степени и, соответственно, имеет разный эффект.
На практике выделяют три типа инфракрасных излучателей, использующихся при автомобильном ремонте, в зависимости от длины волны: коротковолновые, средневолновые и длинноволновые излучатели. Основные критерии — это время, температура, а также технология применения материалов.
Эффект воздействия инфракрасного излучения зависит не только от его интенсивности и длины волны, но и оттого, сколько энергии поглощается слоем краски.
Величина поглощаемой энергии в основном зависит от следующих факторов:
-
Отражение. Часть излучения отражается от поверхности и не оказывает никакого воздействия;
-
Поглощение. Часть излучения (меньшее количество, так как часть уже отразилась) поглощается материалом и превращается в тепло;
-
Передача. Оставшееся излучение проникает в лакокрасочную систему и превращается в тепло на поверхности металла.
Тип излучения влияет на процесс теплопередачи, от которого, в свою очередь, прямо зависит время сушки лакокрасочного материала.
При использовании коротковолновых инфракрасных ламп тепло в основном передается с помощью излучения.
Необходим небольшой период выдержки перед окончательной просушкой объекта, так как объект получает тепло из подложки, т е. нагрев происходит изнутри наружу, и растворитель может легко и быстро испариться. Поэтому применение коротковолнового излучения можно выделить как наиболее перспективное направление развития технологии инфракрасной сушки.
Длинноволновое излучение действует наоборот: в основном тепло передается с помощью конвекционного нагревания.
Необходимо относительно длительное время выдержки перед просушиванием слоя краски (нагревание идет так: тепло верхних слоев передается нижним), чтобы растворитель смог испариться первым до закрытия поверхности краски (образования первичной пленки), не вызвав при этом дефектов на готовом лакокрасочном покрытии.
С чисто технологической точки зрения существует три типа инфракрасного оборудования:
-
С длинноволновым устройством сушки. Длина волны — приблизительно 4мк. Источник инфракрасного излучения нагревается до максимальной температуры + 750 °С, тогда как сам объект сушки нагревается примерно до +40... +50 °С. Поэтому интенсивность излучения невелика (около 1 0 кВ/мг), а период нагрева и остывания достаточно продолжителен и составляет 15-20 минут;
-
Со средневолновым устройством сушки. Волна в этом случае (ее длина составляет от 2 до 4 мк) несет максимальный уровень энергии: источник излучения достигает температур в районе + 750... + 1,450 °С, а сам объект сушки нагревается до +80... +90 °С. Интенсивность излучения составляет 70 кВ/ м2 что намного больше по сравнению с длинноволновым излучением. В данном случае 75 % излучения поглощается краской;
-
С коротковолновым устройством сушки. Длина волны составляетоколо 0,9-2,0 мк, а источник излучения может достичь максимальной температуры + 3000 °С. Время нагрева очень короткое. Интенсивность излучения не превышает 200 кВ/м2, передача излучения объекту составляет 90 %.
Среди причин возросшего внимания к технологии ИК-сушки можно выделить следующие:
-
объект покраски сохнет изнутри;
-
высокий уровень тепло передачи и сокращенная длительность процесса;
-
незначительный расход энергии (теплота создается только там, где она необходима);
-
низкие энергетические/тепловые потери в окружающем воздухе;
-
сравнительно невысокая стоимость нагревательных приборов;
-
оптимальная приспособленность к геометрии объекта сушки.
В дополнение ко всему перечисленному инфракрасное оборудование обладает высокой экологичностью и надежностью в эксплуатации.
Многие инфракрасные излучатели, используемые на автосервисных предприятиях, имеют так называемый режим разгона. Для чего он нужен? Для того, чтобы не произошло закипания лакокрасочного материала, т. е. если в технологической документации, сопровождающей тот или иной лакокрасочный материал, написано, что ему необходимо определенное время для первоначального прогрева при половине мощности ИК-сушки, то надо этой рекомендации обязательно следовать, в противном случае мы получим закипание ПК материала.
Если у применяемого оборудования нет режима разгона, то начинать прогревать окрашенный элемент надо на более удаленном расстоянии от излучателя, а затем перенести его ближе.
Следует также помнить, что время сушки зависит от цвета эмалевой краски и ее состава, поскольку разные материалы имеют разную отражающую способность: светлая краска отражает часть лучей, не поглощая их, поэтому и сохнет дольше. Краски типа «металлик» усиливают этот эффект. Частички алюминия, присутствующие в них, отражают лучи, как зеркало. Поэтому определяющим является состав краски «металлик».
Темные краски сохнут намного быстрее, чем светлые. И особенно сильно это проявляется при продуцировании на поверхность инфракрасного излучения с короткими волнами, высокочувствительного к цвету нанесенного лакокрасочного материала.
Инфракрасное излучение со средней длиной волны, напротив, к цвету почти не чувствительно.
