Malowanie proszkowe nie tylko dla opornych
Ludzie mają często skłonności do przesady, zwłaszcza kiedy potrzebują podkreślić wyjątkowość swoją lub prezentowanej oferty. Malowanie farbami proszkowymi jest również tego przykładem. Pojawiają się co pewien czas informacje o rewolucyjnych rozwiązaniach, które patrząc z bliska okazują się być kolejnym wykorzystaniem kilku prostych zjawisk fizyki, na których ten proces jest oparty. Może zatem warto spojrzeć na elektrostatykę od podstaw, żeby potem szerzej spojrzeć na całość zagadnienia. Poniżej postaram się możliwie przystępnie opisać kilka podstawowych pojęć, z jakimi mamy do czynienia w malowaniu proszkowym.
Malowanie farbami proszkowymi
Technologia napylania elektrostatycznego farbami proszkowymi (niezależnie od stopnia zaawansowania technicznego) wymaga kilku elementów, bez których proces byłby niemożliwy. Napylany proszek, żeby osiąść w miarę trwale na pokrywanym elemencie musi posiadać specyficzne własności elektryczne – być dielektrykiem. Własności te pozwalają poszczególnym cząstkom farby na magazynowanie ładunków elektrycznych. Używane do malowania urządzenia aplikacyjne są odpowiedzialne za dostarczenie wymaganej ilości energii, umożliwiającej napylanie/transport farby z zasobnika na pokrywany element oraz migrację ładunków elektrycznych. Pokrywany element musi mieć własności pozwalające na odprowadzenia ładunków elektrycznych, kierowanych potem do uziemienia, którego jakość/skuteczność ma decydujące znaczenie dla prawidłowego przebiegu procesu aplikacji. Dlatego też najczęściej malowanie proszkowe jest stosowane do pokrywania metali, czyli materiałów będących dobrymi przewodnikami. Inne materiały (szkło, ceramika, tworzywa sztuczne itp.) mogą i coraz częściej są pokrywane za pomocą tej technologii, o ile da się rozwiązać sposób odprowadzania ładunków z ich powierzchni do uziemienia. Proces aplikacji/napylania może (choć nie musi) być wspomagany przez pole elektrostatyczne generowane wysokim napięciem, wytwarzane pomiędzy urządzeniem aplikacyjnym a malowanym elementem. Istnienie takiego pola pomaga w transporcie naładowanych elektrycznie cząstek farby, poprawiając efektywność pokrywania, czyli zwiększając ilość proszku osiadającego na powierzchni malowanej w stosunku do całej ilości napylanego proszku. Pole elektrostatyczne jest jednak również przyczyną powstawania problemu aplikacji (efektu klatki Faradaya) utrudniającego transport i osiadanie cząstek farby w zagłębieniach i wewnętrznych przestrzeniach malowanych elementów o rozwiniętej strukturze. Aplikacja/napylanie farb proszkowych bez generowania pola elektrostatycznego (tzw. metoda TRIBO) jest możliwe dzięki zastosowaniu materiałów konstrukcyjnych pozwalających na separację ładunków elektrycznych – np. PTFE, znanego pod handlową nazwą teflon. Energia potrzebna do transportu farby i jej ładowania pochodzi od sprężonego powietrza. Cząstki farby, w wyniku tarcia o siebie i ściany wewnętrzne urządzenia aplikacyjnego, uzyskują ładunek niezbędny do utrzymania się na pokrywanej powierzchni. Farby proszkowe, w zależności od wymaganych własności, mogą być oferowane na bazie materiałów termoutwardzalnych bądź termoplastycznych. Różnica w ich stosowaniu polega głównie na innej koncepcji powstawania gotowej powłoki ochronnej. Materiały termoutwardzalne wymagają dostarczenia dużej ilości energii cieplnej, koniecznej do właściwego sieciowania polimeru będącego spoiwem powłoki (nadania powłoce spodziewanych własności mechanicznych i chemicznych). Materiały termoplastyczne potrzebują znacznie mniej energii cieplnej, ponieważ ostateczne własności ochronne powłoka uzyskuje bezpośrednio po stopieniu się w jednorodną warstwę.
Dielektryk i ładunki elektryczne
Dielektryk to materiał, który bardzo słabo przewodzi prąd elektryczny. Podstawowym zjawiskiem określającym właściwości dielektryka jest polaryzacja. Polega ona na tym, że pod wpływem działania pola elektrycznego w materiale ładunki ujemne przesuwają się względem dodatnich, uaktywniając dipole elektryczne. W wyniku polaryzacji w dielektryku powstaje pole wewnętrzne, które częściowo równoważy przyłożone pole zewnętrzne. Dipole orientują się zgodnie z polem zewnętrznym. Materiały posiadające własności dielektryczne na skutek polaryzacji uzyskują elektryczny moment dipolowy, co powoduje ich przyciąganie przez ładunki elektryczne. W materiałach używanych do produkcji farb proszkowych (polimerach termoutwardzalnych i termoplastycznych) struktura dipolowa jest obecna nawet bez oddziaływania pola elektrycznego. Dzięki temu są tak bardzo podatne na zmianę potencjału, czyli przyjmowanie i oddawanie ładunków elektrycznych. Należy jednak pamiętać, że farby proszkowe zawierają ograniczoną ilość składników mających własności dielektryczne. Dlatego istotny wpływ na rzeczywistą efektywność aplikacji mają te składniki farb, które cechują się diametralnie różnymi własnościami elektrycznymi, jak np. pigmenty metaliczne.
Jon
Jest atomem (lub grupą atomów) posiadającym ładunek elektryczny powstały w wyniku utraty lub pozyskania jednego lub więcej elektronów. Zwykle atom jest elektrycznie obojętny, ponieważ ilość protonów (ładunek dodatni) w jądrze równa jest liczbie elektronów (ładunek ujemny). Istnieją warunki, w których pod wpływem dostarczonej energii atomy mogą stracić lub zyskać elektrony na zewnętrznej powłoce stając się jonami. Zmiana stanu to jonizacja. Dodatnio naładowany jon nazwany jest kationem, ujemnie zaś anionem. Jony posiadające przeciwne znaki przyciągają się.
Wyładowania koronowe
Jest to rodzaj wyładowania elektrycznego obserwowanego w gazach i jest odmianą wyładowania jarzeniowego. Wyładowanie koronowe zachodzi na powierzchni przewodników znajdujących się pod wysokim napięciem i pojawia się, gdy natężenie pól elektrycznych jest tak duże, że w wyniku zderzeń termicznych cząstek gazu dochodzi do jonizacji. Wyładowania koronowe łatwo się rozwijają na elektrodach o bardzo małych promieniach krzywizny lub posiadających ostre krawędzie. W naturze obserwuje się je na odgromnikach, masztach okrętowych (ognie świętego Elma), czy na wysokonapięciowych energetycznych liniach przesyłowych. Wyładowania koronowe uruchamiają proces, w którym dzięki jonizacji ośrodka zaczyna płynąć prąd. Powstające jony unoszą ładunek elektryczny do obszaru niższego potencjału otaczającego elektrodę zbiorczą lub tworzą ponownie neutralne atomy. W procesie malowania proszkowego elektrodą zbiorczą jest pokrywany element, którego uziemienie decyduje o możliwości odprowadzenia ładunków. W przypadku problemów ze skutecznością uziemienia, osiadające na powierzchni kolejne warstwy cząstek farby nie mogą oddać zgromadzonego ładunku, co powoduje wzrost potencjału elektrycznego i wyładowania skutkujące powstaniem wad widocznych na gotowej powłoce. Poza tym, naładowane cząstki proszku na pokrywanej powierzchni stanowią barierę elektryczną dla kolejnych napylanych cząstek. Stąd bardzo częste problemy z uzyskaniem jednorodnych powłok o odpowiedniej grubości przy jakichkolwiek problemach ze skutecznością uziemienia malowanych proszkowo elementów.
Jonizacja powietrza
Jonizacja powietrza (występowanie różnoimiennych molekuł gazu w dolnych warstwach atmosfery) jest zjawiskiem naturalnym, obecnym stale w przyrodzie w wyniku oddziaływania promieniowania kosmicznego (wiatru słonecznego) oraz naturalnej emisji promieniotwórczej ziemi. Znaczne nasilenie jonizacji następuje podczas burz, gdy dochodzi do wyładowań elektrycznych w atmosferze. Do zapoczątkowania procesu konieczne jest dostarczenie energii. Wynikiem jonizacji powietrza jest zmiana potencjału elektrycznego obojętnych jonów gazu znajdujących się w powietrzu i uzyskanie przez nie ładunku dodatniego lub ujemnego. Dzięki temu powstają warunki, w których ładunki elektryczne mogą być przewodzone przez powietrze. Niezjonizowane powietrze jest izolatorem. W niezjonizowanym powietrzu nie mogą zachodzić na przykład takie zjawiska atmosferyczne, jak kondensacja pary wodnej (powstawanie chmur), czy błyskawice (wyładowania elektryczne). Przy słabej jonizacji powietrza elektrostatyczne napylanie farb proszkowych jest niezwykle utrudnione lub praktycznie niemożliwe. Stąd tak wiele problemów z malowaniem podczas zimy, kiedy na zewnątrz i w pomieszczeniach mamy bardzo niski poziom wilgotności względnej powietrza (suche powietrze), co jest jednoznaczne z ograniczeniem możliwości jonizacji. Jedną z metod wywoływania jonizacji powietrza są wysokonapięciowe wyładowania koronowe, powodujące uwolnienie jonów w pobliżu elektrody i przepływ prądu przez gaz pod wpływem silnego pola elektrycznego. Polaryzacja wyładowań może być dodatnia lub ujemna. Oba przypadki różnią się, ponieważ elektrony (ujemne nośniki ładunku) są bardzo lekkie a jony (nośniki dodatnie) są znacznie cięższe. Przy polaryzacji ujemnej wytwarzane jest znacznie więcej ozonu niż przy dodatniej, co jest korzystne dla efektywności ładowania farb proszkowych.
Pole elektrostatyczne
Jest to stan przestrzeni wokół nieruchomych ładunków lub naelektryzowanych ciał, gdzie na ładunek elektryczny działa siła elektrostatyczna. Pola elektrostatyczne przedstawia się graficznie za pomocą tzw. linii sił, które w sensie fizycznym obrazują tory, po których poruszałby się w danym polu próbny ładunek dodatni. Linie sił pola zawsze prowadzą od ładunków o potencjale dodatnim do ładunków o potencjale ujemnym. Wyznaczają one również w każdym punkcie pola kierunek siły wypadkowej działającej na nieobojętne elektrycznie ciało umieszczone w tym punkcie. Linie te nie przecinają się wzajemnie, a ich zagęszczenie jest miarą oddziaływania elektrostatycznego (większe zagęszczenie linii – silniejsze oddziaływanie). Koncepcję oddziaływania ładunków elektrycznych poprzez pole elektryczne wprowadził Michael Faraday w połowie XIX wieku. O istnieniu oddziaływań elektrostatycznych wiedziano już w starożytności, kiedy to grecki filozof i matematyk Tales z Miletu (620-540 p.n.e.) spostrzegł, że potarty wełnianą tkaniną bursztyn przyciąga drobne, lekkie materiały, jak np. drewniane wiórki. Podczas malowania proszkowego łatwo zaobserwować istnienie pola elektrostatycznego, kiedy chmura napylanej farby „otula” detal i pokrywa powłoką również powierzchnie po jego drugiej stronie. Najbardziej spektakularne jest w tym przypadku pokrywanie powierzchni cylindrycznych (wszelkiego rodzaju rury i pręty), gdzie malując z jednej strony możemy przy dobraniu optymalnych parametrów aplikacji wykonać powłokę o wymaganej grubości na całej powierzchni elementu.
Efekt klatki Faradaya
Klatka Faradaya to metalowy ekran mający chronić przed polem elektrostatycznym. W dużym uproszczeniu dla pól elektrostatycznych z jakimi mamy do czynienia w malowaniu proszkowym takie właściwości posiada klatka wykonana z siatki metalowej. Istnienie pola elektrostatycznego jest nierozerwalnie związane z występowaniem efektu klatki Faradaya. Dlatego też podczas malowania proszkowego pojawiają się poważne problemy z właściwym napylaniem niektórych powierzchni przestrzennie rozwiniętych detali. Jeśli przedmiot o złożonych kształtach znajdzie się w polu elektrostatycznym okaże się, że układ linii sił i ich gęstość nie jest jednorodna na jego całej powierzchni. Linie sił pola koncentrują się na brzegach i krawędziach zagłębień, ponieważ opór sił elektrostatycznych jest w tych miejscach mniejszy niż wewnątrz nich. Ilość farby proszkowej osiadającej na brzegach zagłębień jest bardzo duża w stosunku do tej, która dostaje się do wewnątrz. Efekt może być potęgowany przez niedostateczne uziemienie pokrywanego przedmiotu i zbyt dużą energię kinetyczną napylanej farby. Dlatego też jest wiele zastosowań malowania proszkowego, gdzie konieczna jest rezygnacja z generowania pola elektrostatycznego za pomocą wysokonapięciowych elektrod i ograniczenie ładowania jedynie do zmiany potencjału poszczególnych cząstek proszku (metoda TRIBO). Wyeliminowanie efektu klatki Faradaya pozwoliło np. na malowanie w ten sposób wewnętrznych ścian metalowych zbiorników.
Podsumowanie
Zjawiska towarzyszące elektrostatycznemu napylaniu farb proszkowych są omawiane w ramach podstawowego programu zajęć nauki fizyki. Wynika z tego, że do ich zrozumienia nie jest konieczny zaawansowany aparat matematyczny. Wiele technologii wykorzystywanych w produkcji wykorzystuje zjawiska, które możemy zaobserwować w przyrodzie i zrozumieć na bardzo podstawowym poziomie. Tak też jest z malowaniem proszkowym, niezależnie od tego jak byśmy chcieli tę wiedzę zagmatwać dla nadania promowanym wyrobom szczególnych własności.
mgr inż. Andrzej Jelonek
Tensor Consulting ajelonek@tensor.com.pl