Công nghệ sơn tĩnh điện là gì? Nguyên lý và công dụng?

1. Công nghệ sơn tĩnh điện là gì?

Sơn tĩnh điện là loại sơn được phủ dưới dạng bột khô, chảy tự do. Không giống như sơn lỏng thông thường được phân phối qua dung môi bay hơi, sơn tĩnh điện thường được sơn tĩnh điện và sau đó đóng rắn dưới nhiệt hoặc bằng tia cực tím. Bột có thể là một loại nhựa nhiệt dẻo hoặc một loại polyme nhiệt rắn. Nó thường được sử dụng để tạo lớp sơn hoàn thiện cứng và cứng hơn sơn thông thường.

Sơn tĩnh điện chủ yếu được sử dụng để phủ kim loại, chẳng hạn như thiết bị gia dụng, nhôm định hình, phần cứng trống, ô tô và khung xe đạp. Những tiến bộ trong công nghệ sơn tĩnh điện như sơn tĩnh điện UV cho phép các vật liệu khác như nhựa, vật liệu tổng hợp, sợi carbon và MDF (ván sợi mật độ trung bình) được sơn tĩnh điện do nhiệt tối thiểu và thời gian nằm trong lò cần thiết để xử lý các thành phần này.

Quy trình sơn tĩnh điện được phát minh vào khoảng năm 1945 bởi Daniel Gustin và nhận được Bằng sáng chế Hoa Kỳ 2538562 vào năm 1945.

Quá trình này phủ một lớp sơn tĩnh điện lên một vật phẩm, sau đó được xử lý bằng nhiệt. Lớp sơn hoàn thiện cứng và cứng hơn sơn thông thường. Quy trình này rất hữu ích cho các lớp phủ trên kim loại được sử dụng trong nhiều thiết bị gia dụng, sản phẩm nhôm và các bộ phận ô tô.

Sơn tĩnh điện là một quá trình hoàn thiện khô đã trở nên cực kỳ phổ biến kể từ khi được giới thiệu ở Bắc Mỹ vào những năm 1960. Đại diện cho hơn 15% tổng thị trường hoàn thiện công nghiệp, bột được sử dụng trên nhiều loại sản phẩm. Ngày càng có nhiều công ty chỉ định sơn tĩnh điện để có chất lượng cao, hoàn thiện bền, cho phép sản xuất tối đa, cải thiện hiệu quả và đơn giản hóa việc tuân thủ môi trường. Được sử dụng làm lớp hoàn thiện chức năng (bảo vệ) và trang trí, sơn tĩnh điện có sẵn với nhiều màu sắc và kết cấu gần như vô hạn, và những tiến bộ công nghệ đã dẫn đến các đặc tính hiệu suất tuyệt vời.

Công nghệ sơn tĩnh điện có tên tiếng Anh là: “Electrostatic Powder Coating”.

2. Nguyên lý và công dụng của công nghệ sơn tĩnh điện:

Bởi vì sơn tĩnh điện không có chất mang chất lỏng, nó có thể tạo ra các lớp phủ dày hơn so với các lớp phủ chất lỏng thông thường mà không bị chảy hoặc chảy xệ, và sơn tĩnh điện tạo ra sự khác biệt về ngoại hình tối thiểu giữa các bề mặt được phủ theo chiều ngang và các bề mặt được phủ theo chiều dọc. Bởi vì không có chất lỏng mang nào bay hơi đi, quá trình phủ tạo ra một số hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC).

Sơn tĩnh điện dựa trên hệ thống nhựa polyme, kết hợp với chất kết dính, bột màu, chất làm phẳng, chất điều chỉnh dòng chảy và các chất phụ gia khác. Các thành phần này được trộn đều, để nguội và được xay thành bột đồng nhất tương tự như bột làm bánh. Một quá trình được gọi là lắng đọng phun tĩnh điện (ESD) thường được sử dụng để đạt được ứng dụng của lớp sơn tĩnh điện cho bề mặt kim loại. Phương pháp ứng dụng này sử dụng súng phun, tác dụng một điện tích tĩnh điện lên các hạt bột, sau đó chúng được hút vào phần tiếp đất. Sau khi sơn tĩnh điện, các bộ phận đi vào lò đóng rắn, khi được bổ sung nhiệt, lớp phủ phản ứng hóa học để tạo ra các chuỗi phân tử dài, dẫn đến mật độ liên kết ngang cao. Các chuỗi phân tử này có khả năng chống phá vỡ rất tốt. Loại ứng dụng này là phương pháp phổ biến nhất để áp dụng các loại bột. Sơn tĩnh điện cũng có thể được áp dụng cho các chất nền phi kim loại như nhựa và ván sợi mật độ trung bình (MDF).

Cuối cùng, một số màu bột có thể được áp dụng trước khi đóng rắn tất cả lại với nhau, cho phép trộn màu và tạo hiệu ứng đặc biệt trong một lớp duy nhất. Mặc dù việc sơn lớp phủ dày để sơn mịn, không có kết cấu là tương đối dễ dàng, nhưng việc áp dụng các lớp màng mỏng mịn lại không dễ dàng như vậy. Khi độ dày của màng giảm xuống, màng càng trở nên có màu da cam hơn về kết cấu do kích thước hạt và nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg) của bột.

Hầu hết các loại sơn tĩnh điện có kích thước hạt trong khoảng từ 2 đến 50 μm, nhiệt độ hóa mềm Tg khoảng 80 ° C, nhiệt độ nóng chảy khoảng 150 ° C và được bảo dưỡng ở khoảng 200 ° C trong thời gian tối thiểu 10 phút đến 15 phút (nhiệt độ và thời gian chính xác có thể phụ thuộc vào độ dày của vật phẩm được phủ). [3] Đối với các loại sơn tĩnh điện như vậy, có thể cần lượng màng tích tụ lớn hơn 50 μm để có được màng mịn có thể chấp nhận được. Kết cấu bề mặt được coi là mong muốn hoặc chấp nhận được phụ thuộc vào sản phẩm cuối cùng. Nhiều nhà sản xuất thích có một độ vỏ cam nhất định vì nó giúp che đi các khuyết tật kim loại đã xảy ra trong quá trình sản xuất và lớp phủ do đó ít bị lộ dấu vân tay hơn.

Có những hoạt động rất chuyên biệt khi sử dụng các lớp sơn tĩnh điện nhỏ hơn 30 µm hoặc với Tg dưới 40 ° C để tạo ra các màng mỏng mịn. Một biến thể của quy trình sơn tĩnh điện khô, quy trình Powder Slurry, kết hợp những ưu điểm của sơn tĩnh điện và chất phủ lỏng bằng cách phân tán bột rất mịn của các hạt có kích thước 1-5 µm vào nước, sau đó cho phép các lớp phủ rất mịn, độ dày màng thấp. được sản xuất. Đối với các công việc quy mô nhà để xe, sơn phun dạng nhỏ “lon” ít tốn kém và phức tạp hơn so với sơn tĩnh điện.

Ở quy mô chuyên nghiệp, chi phí vốn và thời gian cần thiết cho một súng bột áo, buồng và lò sấy tương tự như một hệ thống súng phun. Sơn tĩnh điện có một ưu điểm lớn là có thể tái chế lớp sơn thừa. Tuy nhiên, nếu nhiều màu được phun trong một buồng phun, điều này có thể hạn chế khả năng tái chế lớp keo thừa.

3. Ưu điểm so với các quy trình sơn phủ khác:

Sơn tĩnh điện không chứa dung môi và thải ít hoặc không nhiều hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) vào khí quyển. Do đó, người hoàn thiện không cần phải mua thiết bị kiểm soát ô nhiễm tốn kém. Các công ty có thể tuân thủ dễ dàng và tiết kiệm hơn các quy định của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ.

Sơn tĩnh điện có thể tạo ra lớp phủ dày hơn nhiều so với sơn lỏng thông thường mà không bị chảy hoặc chảy xệ.

Các mặt hàng được sơn tĩnh điện thường có ít sự khác biệt về bề ngoài hơn so với các mặt hàng được phủ chất lỏng giữa các bề mặt được phủ theo chiều ngang và các bề mặt được phủ theo chiều dọc.

Một loạt các hiệu ứng đặc biệt có thể dễ dàng thực hiện bằng cách sử dụng sơn tĩnh điện mà không thể đạt được với các quy trình sơn phủ khác.

Thời gian đóng rắn nhanh hơn đáng kể với lớp sơn tĩnh điện so với lớp phủ lỏng, đặc biệt khi sử dụng Lớp phủ bột đóng rắn bằng tia cực tím hoặc bột nhiệt rắn cao cấp

4. Có ba loại sơn tĩnh điện chính:

Nhiệt rắn, nhựa nhiệt dẻo và sơn tĩnh điện có thể chữa được bằng tia cực tím. Sơn tĩnh điện kết hợp một chất liên kết ngang vào công thức.

Hầu hết các chất liên kết ngang phổ biến là nhựa epoxy rắn trong cái gọi là bột lai với tỷ lệ trộn 50/50, 60/40 và 70/30 (nhựa polyester / nhựa epoxy) cho các ứng dụng trong nhà và triglycidyl isocyanurat (TGIC) theo tỷ lệ 93/7 và chất làm cứng β-hydroxy alkylamide (HAA) theo tỷ lệ 95/5 cho các ứng dụng ngoài trời. Khi bột được nung, nó phản ứng với các nhóm hóa học khác trong bột để tạo thành polyme hóa, cải thiện tính chất hoạt động.

Liên kết ngang hóa học cho bột lai và bột TGIC – đại diện cho phần chính của thị trường sơn tĩnh điện toàn cầu – dựa trên phản ứng của các nhóm axit hữu cơ với chức năng epoxy; phản ứng carboxy-epoxy này đã được nghiên cứu kỹ lưỡng và hiểu rõ, bằng cách bổ sung chất xúc tác, quá trình chuyển hóa có thể được tăng tốc và lịch trình đóng rắn có thể được kích hoạt theo thời gian và / hoặc nhiệt độ. Trong ngành công nghiệp sơn tĩnh điện, người ta thường sử dụng hỗn hợp chất xúc tác trong đó 10–15% thành phần hoạt tính được đưa vào nhựa mang polyester dưới dạng chất nền. Phương pháp này cung cấp khả năng phân tán đều tốt nhất có thể của một lượng nhỏ chất xúc tác trên toàn bộ lượng bột.

Liên quan đến liên kết ngang của chất thay thế không chứa TGIC dựa trên chất làm cứng HAA, không có chất xúc tác nào được biết đến.

Đối với các ứng dụng đặc biệt như lớp phủ cuộn dây hoặc lớp phủ trong, người ta thường sử dụng glycidylesters làm thành phần làm cứng, liên kết ngang của chúng cũng dựa trên hóa học carboxy-epoxy. Một phản ứng hóa học khác được sử dụng trong cái gọi là bột polyurethane, trong đó nhựa kết dính mang các nhóm chức hydroxyl phản ứng với các nhóm isocyanate của thành phần chất làm cứng. Nhóm isocyanate thường được đưa vào bột ở dạng bị chặn trong đó chức năng isocyanate được phản ứng trước với ε-caprolactame như chất ngăn chặn hoặc ở dạng uretdiones, ở nhiệt độ cao (nhiệt độ khử trùng) các nhóm isocyanate tự do được giải phóng và có sẵn cho phản ứng liên kết ngang với chức năng hydroxyl. Nhìn chung, tất cả các công thức bột nhiệt rắn đều chứa bên cạnh nhựa kết dính và các chất phụ gia liên kết ngang để hỗ trợ dòng chảy ra ngoài và san lấp mặt bằng và khử khí. Phổ biến là việc sử dụng chất xúc tiến dòng chảy trong đó thành phần hoạt chất — polyacrylate — được hấp thụ trên silica dưới dạng chất mang hoặc dưới dạng masterbatch được phân tán trong nhựa polyester dưới dạng chất nền. Hầu hết các loại bột đều chứa benzoin làm chất khử khí để tránh các lỗ hổng trong màng sơn tĩnh điện cuối cùng.

Loại nhựa nhiệt dẻo không trải qua bất kỳ hành động bổ sung nào trong quá trình nướng vì nó chảy để tạo thành lớp phủ cuối cùng. Sơn tĩnh điện có thể chữa khỏi tia cực tím là vật liệu có thể tạo quang có chứa chất quang điện hóa học phản ứng tức thì với năng lượng ánh sáng UV bằng cách bắt đầu phản ứng dẫn đến liên kết chéo hoặc đóng rắn. Yếu tố khác biệt của quy trình này với những quy trình khác là sự tách biệt của giai đoạn nấu chảy trước giai đoạn chữa bệnh. Bột được bảo dưỡng bằng tia cực tím sẽ tan chảy trong 60 đến 120 giây khi đạt đến nhiệt độ 110 ° C và 130 ° C. Khi lớp phủ nóng chảy ở trong cửa sổ nhiệt độ này, nó sẽ được đóng rắn ngay lập tức khi tiếp xúc với tia UV.