Farby proszkowe - badanie szkodliwości

Oprócz badań nad ilością emitowanych produktów przeróbki termicznej farb proszkowych, zwrócono uwagę (ze względu na przepisy bhp), na pomiar całkowitej ilości substancji, emitowanych w określonych warunkach przez urządzenie produkcje. Znajomość tych wielkości, tzw. wskaźników emisji, jest konieczna do prawidłowego projektowania wymiany powietrza i systemu wentylacyjnego.

Wstęp

W ostatnich latach coraz większą uwagę poświęca się farbom proszkowym, będącymi wyrobami ekologicznymi. Wyroby proszkowe nie zawierają żadnych organicznych rozpuszczalników, a podczas ich aplikacji zdaniem producentów i dystrybutorów nie uwalniają się żadne substancje, nawet w procesie utwardzania. Zalety stosowania farb proszkowych wynikają również z czynników ekonomicznych:

-bardzo niskich strat dlatego ze proszek nie osadzony zawracany jest do pistoletu za pomocą specjalnego urządzenia;
-łatwości nanoszenia farb proszkowych za pomocą natrysku na gorąco, bezpowietrznego, w polu elektrostatycznym;
-obniżenia kosztów transportu ze względu na 100% zawartości substancji błonotwórczych ( suchej masy);
-mniejszej ilości powietrza odprowadzającego, odsysanego z wypalania w piecu (w wypadku farb rozpuszczalnikowych musi być większa, aby nie powstała mieszanka wybuchowa);
-oszczędności energii, co jednak w niektórych przypadkach może być rekompensowane kosztami związanymi z wyższą temperatura utwardzania.

Obecnie do najbardziej rozpowszechnionych wyrobów proszkowych należą farby na bazie epoksydowej, epoksy-poliestrowej, poliuretanowej i poliestrowej, a także akrylowej. Dostępne są już na rynku w Stanach Zjednoczonych, farby dające powłoki o grubości 25 mikronów. Pozwoli to na dalsza oszczędność stosowania farb tam, gdzie nie są narażone na wpływy środowiska korodujacego, jak również na stosowanie odpowiednio niższych temperatur utwardzania, ktore w początkowym okresie stosowania farby były w granicach 180-200oC.Obecnie znajdują się na rynku farby proszkowe, ktore można utwardzać poniżej 150oC.Pordukcja farb proszkowych przebiega w dość specyficznych warunkach, trudności występują również przy nanoszeniu farb na odpowiednie detale.
Trzeba podkreslic, ze jakości wyprodukowanej farby proszkowej nie można poprawić , jak to ma miejsce podczas produkcji wyrobów rozpuszczalnikowych. Nalezy dołożyć wszelkich staran, aby do produktu nie przedostały się zanieczyszczenia, które mogą być źródłem emisji otrzymanych wyrobów.

W przypadku nanoszenia farb proszkowych, bardzo istotne jest przygotowanie podłoża. Rozpuszczalnikowe wyroby lakierowe maja możliwość przenikania do podkładu poprzez zanieczyszczenia znajdujące się na powierzchni przedmiotu malowanego. Przenikanie umożliwia niska lepkość wyrobu oraz zdolność rozpuszczania tluszczow. Dla farb proszkowych zanieczyszczenia te stanowią jednak barierę nie do pokonania ze względu na wysoka lepkość stopu. Wytworzona powłoka na takiej powierzchni, prędzej czy później odtluszcza się w wielkich kawalkach. Zanieczyszczenia obce przedostają się w lakierniach bezpośrednio lub z proszkiem z odzysku na powierzchnie malowanego przedmiotu i wychodzą z powłoki w postaci efektu spiaszczenia, który dyskwalifikuje jakość wykończenia powierzchni. Na koncowa jakosc otrzymanej powłoki farby proszkowej wplywaja takie wlasnosci jak lepkość stopu oraz ilosc i skutecznosc srodka wplywajacego na rozlewnosc.

Proba dajaca nam odpowiedz,jak gladka i jednolita jest powierzchnia, jest sciekalnosc. Proszki o wyzszej sciekalnosci daja gladkie powłoki. Wystepuje tu jednak pewien wadliwy efekt tzn.wyzsza sciekalnosc oznacza mniejsza grubosc powłoki na krawedziach. Powyzsze zjawisko zmusza czesto do wyboru kompromisu miedzy wymaganiami co do uzyskania najgladszej powloki,a najgrubszej na krawedziach malowanych przedmiotow.
Pomocnym w uzyskaniu powyzszych walorow może być dobor wyzszej temperatury utwardzania oraz przyspieszenie osiągnięcia wlasciwej temperatury utwardzania.

Emisje zanieczyszczen

W procesie technologicznym występują nastepujace operacje, w ktorych mogą być unoszone zanieczyszczenia do powietrza:
-przygotowanie powierzchni,
-nanoszenie proszku,
-stapianie farby proszkowej.
Problem emisji w pierwszej operacji jest przedmiotem odrębnego opracowania. Operacja nanoszenia farby proszkowej odbywa się przy niskich predkosciach powietrza w warunkach uniemozliwjajacych porywanie proszku. Kabina do nanoszenia proszku nie jest wentylowana. Unos pylu jest nieistotny z punktu widzenia zanieczyszczenia środowiska.
W trakcie operacji nanoszenia powłoki farby proszkowej w komorze spiekania, nastepuje emisja lotnych substancji toksycznych, bedacych produktami destrukcji termicznej tworzywa epoksypoliestrowego lub jego zanieczyszczen. Obecnie brak jest doniesien literaturowych, ktore w sposob jednoznaczny interpretowalyby powyzsze zjawiska. Rozpoznanie i oznaczenie zanieczyszczen powietrza w przetworstwie farb proszkowych jest tematem bardzo rozleglym ze względu na roznorodnosc warunkow przetworstwa (temperatura, czas) oraz roznorodnosci i odmian gatunkow zywic, ktore roznia się skladem chemicznym i wlasnosciami, a tym samym - skladem emitowanych substancji lotnych.
Oprocz badan nad iloscia emitowanych produktow przerobki termicznej farb proszkowych, zwrocono uwage (ze względu na przepisy bhp), na pomiar calkowitej ilości substancji, emitowanych w okreslonych warunkach pzez urzadzenie produkcje. Znajomosc tych wielkosci, tzw.wskaznikow emisji, jest konieczna do prawidłowego projektowania wymiany powietrza i systemu wentylacyjnego.

Lakiery

Dla kinetycznych rozwazan przebiegu reakcji chemicznych wazny jest fakt, ze czasteczkowy mechanizm reakcji w bardzo nielicznych przypadkach jest zgodny ze stechiometrycznymi równaniami przemiany. W wiekszosci przypadkow mamy do czynienia z szeregiem reakcji posrednich. Uzasadnia to zastosowania rachunku prawdopodobienstwa przy rozwazanich dotyczacych emisji zanieczyszczen w procesach technologicznych bez wnikania w szczegolowe mechanizmy reakcji chemicznych. Ilosc czastek jaka uzyskuje odpowiednia energie do przebiegu okreslonej przemiany opisuje prawo Boltzmanna:
Ca=Cp*exp(-E/R/T)

gdzie
R -uniwersalna stala gazowa,
T -temperatura,
E -energia aktywacji
Cp-ogolna ilosc czastek obecna w srodowisku reakcyjnym,

Stala szybkosci reakcji jest wielkoscia niezalezna od stezenia. Arrhenius stwierdzil, ze stala szybkosci reakcji można opisac zaleznoscia:
k=exp(-A/T+H)
gdzie:
A,H - stale
T - temperatura procesu,

W stalej temperaturze ilosc produktu reakcji można opisac rownaniem:
Ct=C*exp(-k*t)
gdzie:
C - poczatkowe stezenie,
k - stala szybkosci reakcji,
t - czas.

Biorac pod uwage powyzsze zaleznosci znaleziono funkcje opisujaca wielkosc emisji w g/s w zaleznosci od czasyu przebywania wsadu w komorze wypalania i temperatury. W oparciu o wyniki pomiarow okreslono stale umozlwiajace obliczenie emisji z procesu malowania proszkowego:

E(t)=WSK*ur/t*exp(-1/t)*{1-exp[-0.221*exp(-273/Tt-0.31]}
gdzie:
E emisja maksymalna w g/s
Ur ilosc wprowadzonego proszku na 1 wsadzie w kg
WSK wskaznik charakterystyczne dla substancji i farby
/na przyklad- 0.2924 dla fenolu i farby epoksydowo
poliestrowej /
t calkowity czas 1 wsadu w minutach,
Tt temperatura powłoki w czasie t, ktora może być na przyklad
opisana zaleznosca:
Tt=Tk*exp(-1/t)

Tk temperatura wypalania w K,
Emisja srednia dla czasow wypalania do 30 minut jest rowna:
Esrednia=E*3.6
Przy czasie wypalania wiekszym niz 30 minut emisje srednia należy wyliczyc ze wzoru:
Esrednia=3.6*WSK*ur/t*exp(-1/t)*{1-exp[-0.221*exp(-273/Tt-0.31]}
Zmiennosc emisji, temperatury i ilości uniesionych zanieczyszczen w czasie przedstawiono na wykresach poniżej dla temperatury wypalania 185 i 200 st.C.

Najwyzsze emisje występują w pierwszym okresie utwardzania powłoki, potem nastepuje spadek emisji i jej stabilazacja na niskim poziomie.
Wspolczynniki do wzoru okreslono dla dwoch farb:
-epoksydowej
- fenol WSP=0.000
- suma fenoli WSP=0.356
-epoksydowo-poliestrowej
- fenol WSP=0.292
- suma fenoli WSP=0.303
Wspolczynniki okreslano w ograniczonym zakresie czasu i temperatury.
Można je stosowac dla czasow wiekszych od 10 minut i temperatury wypalania od 100-250 st.C.

WLASNOSCI POWLOK EPOKSYDOWO-POLIESTROWYCH I ICH POLEPSZANIE

ODPORNOSC NA CZYNNIKI ATMOSFERYCZNE

Odpowiednie rozprowadzenie pigmentu w spoiwie ma decydujące znaczenie w produkcji konwencjonalnych powlok oraz wpływa decydujaco na wyglad i wlasnosci utwardzonych powlok.Polysk,utrzymanie polysku, kredowanie i pekanie przy ekspozycji zewnetrznej zaleza w duzym stopniu od zwilzania czastek pigmentu przez spoiwo.W porownaniu z farbami rozpuszczalnikowymi(cieklymi),w ktorych pigment jest zawieszony w cieczy, rozprowadzenie pigmentu w proszku jest trudniejsze.Efektywne i rownomierne rozprowadzenie pigmentu okresla czesciowo odpornosc powłoki na czynniki atmosferyczne. W odroznieniu od farb rozpuszczalnikowych,proszek nie zawiera czesci plynnych,ktorych parowanie prowadzi do tworzenia cienkiej warstwy spoiwa ,pokrywajacego calkowicie spoiwo.W tym przypadku bardzo wazna jest zwilzalnosc pigmentu i spoiwa.Najlepsze zwilzenie czastek pigmentu przy produkcji powlok proszkowych można uzyskac tylko przez odpowiednie ustawienie wytlaczarki i dobor pigmentow ,czynników utwardzajacych i dodatkow. Szybkosc zwilzania pigmentu zalezy od roznych czynników takich jak sklad chemiczny,własności powierzchniowych i wielkosci czastek pigmentu. Na przyklad odpornosc na czynniki atmosferyczne powlok proszkowych bialych lub pastelowych silnie zalezy od typu tlenku tytanu(IV),poniewaz rozne jego gatunki maja rozna odpornosc na ekspozycje zewnetrzna.
Rozne odpornosci powlok proszkowych opartych na tej samej kombinacji zywica - utwardzacz są wynikiem zlego wyboru pigmentu. Firma Ciba-Geigy proponuje, w przypadku jasnych powlok dodawac stabilizator UVTINUVIN 144 lub TINUVIN 900,aby zapobiec mikropeknieciom na powierzchni powłoki. Takie antyutleniacze firmy Ciba-Geigy jak IRANOX1010 oslabiaja zolkniecie przy przegrzaniu ,a produkt o nazwie IRGANOX 1076 zapobiega odbarwieniu przy utwardzaniu w piecach gazowych

TWARDOSC POWIERZCHNIOWA

Twardosc ytwardzonych powlok można zwiekszyc przez dodanie odpowiednich dodatkow.Odpornosc na uszkodzenia powierzchni zwieksza dodatek substancji o duzym ciezarze czasteczkowym takich jak wosk polipropylenowy ,zwiazki fluoru i wegla.

KRYCIE KRAWEDZI

Aby uzyskac dobra odpornosc na korozje wymagane jest dobre krycie krawedzi. Cecha ta calkowicie zalezy od lepkości roztopu,reaktywnosci, elektostatycznych wlasnosci proszku i jego cech reologicznych. Farby proszkowe epoksy-poliestowe z komponentem typy TGIC poprawiaja krycie krawedzi dzieki szybszemu utwardzaniu i duzej lepkosci roztopu.Firma Ciba-Geigy proponuje swoim odbiorcom farb proszkowych ,dodatki zwiekszajace krycie powierzchni typu AEROSIL 200 lub 2% poliwinylobutyral.

PLYNNOSC

Plynnosc jest funkcja lepkosci roztopu w zaleznosci od reaktywnosci i zalezy od typu poliestra i epoksydu.Plynnosc ukladow proszkowych można zwiekszyc przez dodanie takich czynników regulujacych plynnosc jak BYK 360 P,PERENOL MF-2 ,RESIFLOW PV 5,FORBEST MF-2.

POPRAWA PRZYLEGANIA I ELASTYCZNOSCI

Po utwardzeniu proszek tworzy trojwymiarowa strukture blony, posiadajacej dobra spojnosc wewnetrzna i dobrze przylegajaca do odpowiedniego detalu. Niezbedne jest jednak odpowiednie przygotowanie podłoża przed nalozeniem proszku. Powierzchnia musi być calkowicie chromianowana zgodnie z DIN 50939 w celu zastapienia warstwy tlenkow na powierzchni detalu nowym zwiazkiem.

Podsumowanie

Zalety i wady malowania farbami proszkowymi

zalety :

-latwosc powlekania,

-możliwość automatyzacji,

-brak emisji rozpuszczalników,

-wysoki stopien wykorzystania farb,

-brak sciekow i odpadow,

-wysokie wlasciwosci mechaniczne i technologiczne,

-jednorazowe malowanie o zadanej grubości,

-krotki okres wdrazania,

-latwe skladowanie,

wady :

-pracochlonna zmiana koloru,

-malowane podloze musi być odporne na temperatury,

-duze wymagania odnosnie przygotowania powierzchni.

Artykuł opracowany przez Zakład Ekspertyz Ochrony Środowiska “AREO” s.c.
15-085 Białystok, ul. Branickiego 29