ỨNG DỤNG KỸ THUẬT NHIỆT ĐỘNG HỌC TRONG SƠN TÍNH ĐIỆN (Sử dụng máy phân tích DMA 850 TA Instruments – Lĩnh vực Plimer)

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT NHIỆT ĐỘNG HỌC TRONG SƠN TÍNH ĐIỆN

(Sử dụng máy phân tích DMA 850 TA Instruments – Lĩnh vực Plimer)

TỔNG QUAN

Sơn tĩnh điện là một phương pháp tiên tiến áp dụng lớp hoàn thiện trang trí và bảo vệ cho nhiều loại vật liệu và sản phẩm được sử dụng bởi cả các ngành công nghiệp và người tiêu dùng. Bột được sử dụng cho quá trình này là một hỗn hợp của các hạt bột màu và nhựa được nghiền mịn, được phun lên bề mặt cần phủ. Các hạt bột tích điện bám vào các bề mặt được nối đất bằng điện cho đến khi được nung nóng và hợp nhất thành một lớp phủ mịn trong lò đóng rắn.

Ngày nay, sơn tĩnh điện chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị gia dụng, ô tô, tòa nhà, đường ống dẫn dầu và khí đốt, máy móc, sản phẩm ngoài trời và cả các sản phẩm phi kim loại. Sơn tĩnh điện là công nghệ hoàn thiện phát triển nhanh nhất, chiếm hơn 10% tất cả các ứng dụng hoàn thiện công nghiệp. Thị trường sơn tĩnh điện toàn cầu ước tính đạt 70,6 tỷ USD vào năm 2000.

Nhựa được sử dụng trong sơn tĩnh điện có thể là nhựa nhiệt dẻo (chảy khi tác dụng nhiệt) hoặc nhiệt rắn (liên kết chéo khi tác dụng đủ nhiệt). Các lớp phủ bột nhựa nhiệt dẻo điển hình bao gồm: polyetylen, polypropylen, nylon, vinyl, polyvinyl clorua, polyvinylidene florua, polyamit nhựa nhiệt dẻo và polyeste nhựa nhiệt dẻo. Đây là những polyme có trọng lượng phân tử cao thể hiện khả năng chống hóa chất, độ dẻo dai và tính linh hoạt tuyệt vời. Chúng khó nghiền thành các hạt mịn và có độ nhớt cao khi đun nóng. Bột nhựa nhiệt dẻo đặc biệt phù hợp cho một lớp phủ dày có khả năng đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất cao

Bột nhiệt rắn có nguồn gốc từ ba loại nhựa chung: epoxy, polyester và acrylic. Từ ba loại nhựa này, năm hệ sơn được tạo ra: epoxy, epoxy-polyester, polyester-triglycidyl isocyanurat, acrylic-urethane và polyester-urethane.

Công thức sơn tĩnh điện giống như công thức sơn chất lỏng ngoại trừ hầu hết các thành phần đều ở dạng rắn, có thể xử lý nóng chảy. Thành phần chính của sơn tĩnh điện là: - Nhựa, thành phần quan trọng của sơn tĩnh điện; Chất đóng rắn, tùy thuộc vào loại hệ thống nhựa được sử dụng và đặc tính lớp phủ cuối cùng được yêu cầu; Chất gia tốc để tăng tốc độ phản ứng lưu hóa; Chất màu; Chất độn để giảm chi phí của công thức sơn phủ; Chất khử khí để cải thiện quá trình thoát khí và loại bỏ lỗ kim và miệng núi lửa; Chất tạo dòng khô để cải thiện độ chảy tự do của bột; Chất tạo dòng chảy và / hoặc phụ gia lưu biến để tăng cường tính chất của màng và giảm thiểu / loại bỏ các khuyết tật bề mặt bằng cách cải thiện độ chảy của lớp phủ nóng chảy; Sáp để cung cấp khả năng chống trượt, độ cứng, chống xước; Phủ bóng để giảm độ bóng và / hoặc các chất tạo kết cấu.

Những ưu điểm chính của sơn tĩnh điện ngày nay so với sơn ướt là:

- Độ bền: Bề mặt sơn tĩnh điện có khả năng chống sứt mẻ, trầy xước, phai màu và mài mòn hơn các bề mặt hoàn thiện khác ..

- Bảo vệ môi trường: Sơn tĩnh điện cũng có tính bảo vệ cao đối với môi trường của chúng ta. Trong khi lớp phủ hoàn thiện dạng lỏng có chứa dung môi có các chất ô nhiễm được gọi là hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC), lớp phủ bột không chứa dung môi và thải một lượng không đáng kể VOCs vào bầu khí quyển, nếu có.

- Tiết kiệm tiền: Loại bỏ VOC và giảm chất thải giúp tiết kiệm tiền.

Trong khi sơn tĩnh điện bắt đầu như một giải pháp thay thế chỉ để hoàn thiện các sản phẩm kim loại, sự phát triển của bột có thể đóng rắn ở nhiệt độ thấp hơn đã cho phép sơn tĩnh điện mở rộng sang các bề mặt phi kim loại như gốm sứ, gỗ và các ứng dụng nhựa. Những tiến bộ công nghệ trong ứng dụng vật liệu sơn tĩnh điện và phương pháp đóng rắn đã mang lại những ưu điểm của sơn tĩnh điện cho các bề mặt nhạy cảm với nhiệt, một ví dụ điển hình là tấm sợi mật độ trung bình, hoặc MDF, một tấm kết hợp các hạt liên kết của gỗ với nhựa tổng hợp. Vật liệu bột cho MDF có thể là sản phẩm xử lý nhiệt hoặc bột xử lý bằng tia UV. Năng lượng nhiệt làm tan chảy bột, do đó nó sẽ chảy vào một màng phẳng và cuối cùng đóng rắn, hoặc liên kết chéo, thành một màng hoàn chỉnh. Với công thức đặc biệt có thể xử lý bằng tia cực tím, sự tan chảy và chảy có thể được tách ra khỏi quá trình đóng rắn. Nhiệt độ tối thiểu để đóng rắn bột và tiếp xúc với ánh sáng cực tím chỉ trong vài giây là cần thiết để đóng rắn cuối cùng và làm cứng lớp sơn hoàn thiện.

THỰC NGHIỆM

Vì sơn tĩnh điện bao gồm bột mịn, mẫu cần được điều hòa trước trước khi nạp vào máy đo lưu biến. Cách tốt nhất là nén bột nguội vào một đĩa nhỏ (tức là đường kính 25mm và độ dày 2mm) và nạp đĩa mẫu vào giữa các đĩa song song của máy đo lưu biến. Quan trọng là nhiệt độ tải. Đây có thể là nhiệt độ phòng cho thử nghiệm dốc nhiệt độ - trong trường hợp này, khe hở dụng cụ cần được kiểm soát khi mẫu bắt đầu nóng chảy - hoặc nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy, nhưng thấp hơn nhiệt độ đóng rắn - trong trường hợp này, mẫu có thể được nạp và được cắt xén giống như một polyme và các đặc tính đàn hồi có thể được nghiên cứu ở các điều kiện đẳng nhiệt độc lập với quá trình đóng rắn. Tuy nhiên, điều này rất thường xuyên không thể xảy ra, vì vật liệu bắt đầu phản ứng ngay khi đạt đến nhiệt độ nóng chảy. Sơn tĩnh điện UV và nhựa nhiệt dẻo là khác nhau. Đối với sơn tĩnh điện UV, phản ứng đóng rắn được kiểm soát độc lập với quá trình nấu chảy.

CẢI THIỆN ĐẶC TÍNH CỦA SƠN TĨNH ĐIỆN

Chìa khóa để các lớp phủ mỏng có bề ngoài chất lượng cao và bảo vệ bề mặt tốt là tính chất chảy của lớp phủ sau khi được thi công. Việc tối ưu hóa cả dòng chảy và thời gian đóng rắn ở các nhiệt độ khác nhau là một thách thức vì hai đặc tính này hoạt động chống lại nhau. Khi lớp phủ được làm nóng, nó mềm về mặt vật lý và bắt đầu chảy. Sau đó, một phản ứng hóa học xảy ra, liên kết chéo xảy ra và lớp phủ đóng rắn. Do đó, cần phải đo sự phụ thuộc thời gian và nhiệt độ trong quá trình chảy và đóng rắn đồng thời.

Ngoài ra, có thể đánh giá mức độ chữa khỏi (tức là chưa chữa khỏi hoặc chuyển đổi hoàn toàn liên kết chéo) bằng cách sử dụng phương pháp lưu biến. Các nghiên cứu có thể được thực hiện trên lớp phủ hoàn thiện để xác định độ cứng và độ dẻo dai trong một phạm vi nhiệt độ rộng. Ảnh hưởng của lão hóa đối với lớp phủ cũng có thể được nghiên cứu để dự đoán độ bền lâu dài.

ĐỘ DÀY LỚP PHỦ VÀ DÒNG CHẢY

Tính chất dòng chảy và tốc độ đóng rắn của các công thức sơn phủ có thể được đo ở nhiệt độ đẳng nhiệt mong muốn hoặc ở tốc độ gia nhiệt không đổi. Các phép đo dao động phải được thực hiện ở biên độ biến dạng thấp để bảo toàn cấu trúc của chất tạo thành nhựa phụ. Sự phụ thuộc nhiệt độ của các thông số đàn hồi nhớt (độ nhớt phức tạp và tiếp tuyến mất mát) của một lớp sơn tĩnh điện điển hình được thể hiện trong hình 1, được đo trong một thí nghiệm tăng nhiệt độ theo sau bởi một giai đoạn đẳng nhiệt.

Độ chảy và độ phẳng của lớp phủ có liên quan đến độ nhớt tối thiểu (hoặc môđun) và độ rộng tối thiểu này. Nhựa chảy “kém” có độ nhớt tối thiểu quá cao. Độ ẩm cũng ảnh hưởng lớn đến độ nhớt tối thiểu, làm cho công thức chảy khác nhau và tạo ra các lỗ rỗng hoặc lỗ kim trong lớp phủ đã đóng rắn. Nhà sản xuất bột có thể điều chỉnh khả năng phản ứng để cho phép bột tan chảy ở trạng thái lỏng đủ lâu để cho phép khí bị cuốn theo thoát ra ngoài và sau đó chảy qua các lỗ kim trước khi đông cứng trong giai đoạn đóng rắn cuối cùng. Tuy nhiên, trong trường hợp này, bột dễ chạy hơn nhiều nhưng sẽ chảy xệ nếu thoa quá dày. Các nhà cung cấp cũng cung cấp các công thức chống rò rỉ. Trong các công thức như vậy, các hợp chất giống như chất hoạt động bề mặt được thêm vào hệ thống chất kết dính, cho phép các chất bay hơi thoát ra ngoài. Cả hai cách tiếp cận đều có thể chứng minh hiệu quả trong việc giảm các lỗ kim và miệng núi lửa do thoát khí gây ra. Nhưng yếu tố quan trọng nhất trong việc giảm thiểu thoát khí ra ngoài là giảm lượng xốp có trong cấu trúc kim loại được phủ.

LIÊN KẾT HÌNH THÀNH

Khi lớp phủ bắt đầu đóng rắn, độ nhớt của nó tăng lên và tại điểm gel tiến gần đến vô cùng. Tại thời điểm này, dòng chảy của lớp phủ chấm dứt và lớp phủ có các đặc tính của chất rắn. Một chỉ số tốt của điểm gel là điểm mà tại đó G ’= G” hoặc tan δ bằng một.

Bột có thể chữa khỏi tia cực tím là những sản phẩm tinh vi. Các công thức tiên tiến tan chảy từ 40 đến 70 ° C trong khi vẫn ổn định trong thùng vận chuyển. Bột được bảo dưỡng bằng tia cực tím được sử dụng trong các cơ sở công nghiệp, nơi thực tế là phủ bột, nấu chảy trong lò, sau đó cho chúng tiếp xúc với nguồn bức xạ. Hình 2 cho thấy quá trình xử lý đẳng nhiệt của lớp sơn tĩnh điện UV. Để theo dõi quá trình xử lý, cần lấy mẫu dữ liệu nhanh và các tấm trong suốt đặc biệt (thủy tinh thạch anh hoặc PMMA), để cho phép chiếu sáng mẫu bằng tia UV cần được sử dụng (xem thêm ghi chú ứng dụng AAN021). Sau vài giây chiếu tia cực tím, mẫu đóng rắn hoàn toàn. Với việc lấy mẫu dữ liệu nhanh có thể thu thập tới 500 điểm dữ liệu mỗi giây, mô-đun lưu trữ và mất mát có thể được theo dõi dễ dàng và xác định điểm gel.

Các lớp phủ bột nhựa nhiệt dẻo, (Hình 3) có thể được đặc trưng, ​​bằng cách sử dụng phân tích cơ học động học, nóng chảy trong điều kiện đẳng nhiệt để xác định tính chất chảy của nó. Nhựa “kém” trong ví dụ này không phủ bề mặt đồng nhất. Độ nhớt phức đo được của mẫu “nghèo” có độ nhớt ổn định cao hơn ở tần số thấp và thể hiện sự mỏng đi (giảm độ nhớt phức theo tần số) trong một dải tần số lớn hơn. Độ nhớt cao hơn ở tần số thấp (độ nhớt cắt bằng không) là viết tắt của trọng lượng phân tử cao hơn và phạm vi pha loãng cắt rộng hơn là một dấu hiệu của sự phân bố trọng lượng phân tử rộng. Mẫu “tốt” với MW thấp hơn có độ nhớt cắt bằng 0 thấp hơn, chảy dễ dàng hơn và tạo lớp phủ đồng đều hơn.

Phân tích cơ học động cũng là một phương tiện rất nhạy để đo mức độ đóng rắn hoặc liên kết chéo của một lớp phủ nhiệt rắn. Một loại nhựa được bảo dưỡng ở 3 nhiệt độ khác nhau được thể hiện trong hình 4. Một thước đo để kéo dài thời gian lưu hóa là độ chuyển tiếp thủy tinh Tg. Tg trong DMA thường được đánh giá ở đỉnh tan. Với nhiệt độ lưu hóa tăng, độ chuyển thủy tinh tăng lên. Một thước đo khác về mức độ liên kết chéo là mô đun cắt G ’ở vùng cao nguyên cao su, trên Tg. Theo thực nghiệm, cách tiếp cận này là khó, vì mẫu sẽ tiếp tục đóng rắn trên Tg và mật độ liên kết chéo và mô đun lưu trữ G ’sẽ tăng lên theo thời gian.

Hiệu suất sử dụng cuối cùng

Lão hóa, mệt mỏi và hư hỏng cơ học có thể làm giảm đáng kể tuổi thọ sử dụng của sơn tĩnh điện. Các vết nứt, khoảng trống và sự kết dính của các hạt phụ có thể được xác nhận bằng phân tích cơ học động lực học.

Chất điều chỉnh tác động thường xuyên được thêm vào nhựa nhiệt rắn để cải thiện khả năng chống va đập. Hình 5 cho thấy dấu vết DMA (Mô đun và tan δ) của một lớp sơn tĩnh điện được sử dụng làm lớp phủ ô tô. Ba đỉnh chính ở màu tan δ chứng tỏ sự phức tạp của lớp phủ này, được thiết kế để có hiệu suất tốt nhất như khả năng chống va đập của sỏi, chống trầy xước, v.v.

Khả năng chống va đập là một yêu cầu đặc biệt quan trọng đối với lớp phủ ô tô. Thời gian tác động điển hình của sỏi theo thứ tự là 10 ms. Để dự đoán hiệu suất tác động, dấu vết DMA, mô đun và tan δ như một hàm của nhiệt độ cần được chuyển sang thời gian chuẩn là 10 ms hoặc tần số chuẩn là 105 s-1. Điều này có nghĩa là ở tần số thử nghiệm một Hz, hiệu suất tác động phải tương quan với đặc tính nhiệt độ thấp.

PHẦN KẾT LUẬN

Phân tích cơ học động (DMA) là một công cụ rất mạnh để xác định đặc tính của sơn tĩnh điện. Điều quan trọng nhất đối với sơn tĩnh điện là sự hiểu biết về dòng chảy của vật liệu trong quá trình nấu chảy trước khi đóng rắn thực tế. Sự xuất hiện, tính đồng nhất, kết cấu, độ bóng, vv .. phụ thuộc vào đặc tính chảy của lớp sơn tĩnh điện trong thời gian này, thường là khoảng thời gian rất ngắn.

DMA cũng cung cấp một phương tiện tuyệt vời để phân tích thời gian lưu hóa và hiệu suất sử dụng cuối cùng của sản phẩm cuối cùng. Khả năng chống va đập, trầy xước và sứt mẻ có thể tương quan với môđun và mất mát tiếp tuyến theo thời gian và nhiệt độ.

 

Bảng một số thông số kỹ thuật sản phẩm DMA 850 của TA Instruments