Malowanie tworzyw sztucznych
Jednym z obszarów zastosowań wyrobów lakierowych jest malowanie tworzyw sztucznych. Wraz z dynamicznym rozwojem przemysłu tworzyw sztucznych, zagadnienie to nabiera coraz większego znaczenia technicznego i wzrasta zapotrzebowanie na wyroby lakierowe przeznaczone do malowania i drukowania powierzchni materiałów polimerowych.
Zużycie farb rozpuszczalnikowych do malowania i drukowania materiałów polimerowych stanowiło 3,4% całkowitej ilości wyprodukowanych wyrobów rozpuszczalnikowych w Europie w roku 2004 [1]. Dla porównania, w tabeli zamieszczono wielkość produkcji wyrobów rozpuszczalnikowych dla innych obszarów zastosowań.
Można prognozować, że ilość farb zużywanych w branży tworzyw sztucznych, która obecnie nie stanowi znaczącej pozycji, będzie wzrastać, w związku z coraz większym wykorzystaniem materiałów polimerowych.
Dlaczego malujemy tworzywa sztuczne?
Są różne powody pokrywania powierzchni tworzyw sztucznych organicznymi systemami powłokowymi. Do najważniejszych należą:
– otrzymanie barwy, która nie jest możliwa do uzyskania poprzez barwienie tworzywa w masie (np. w przypadku materiałów tworzywowych po recyklingu),
– nadanie wymaganych, specyficznych właściwości powierzchni tworzywa np. antystatycznych,
– pokrycie drobnych wad powierzchni tworzywa, które mogą wystąpić na etapie przetwórstwa np. przy oddzielaniu od formy przy formowaniu wtryskowym,
– nadanie efektów dekoracyjnych, np. specjalnej struktury, wysokiego połysku, efektu metalicznego lub perłowego,
– nadanie efektu tzw. "miękkiego dotyku" (soft-feel),
– konieczność renowacji powierzchni, która w miarę upływu czasu utraciła początkowy wygląd,
– chęć zmiany dotychczasowej kolorystyki.
Oprócz otrzymania pożądanych walorów dekoracyjnych, malowanie tworzyw może być podyktowane koniecznością uzyskania wymaganych właściwości użytkowych, jak np.:
– odporności chemicznej,
– odporności na działanie warunków atmosferycznych,
– zwiększenie odporności na ścieranie i zarysowanie,
– zabezpieczenie przed migracją plastyfikatorów zawartych w tworzywie.
Malowanie tworzyw sztucznych stosowane jest głównie w przemyśle samochodowym, meblowym, elektronicznym, w budownictwie, w przemyśle lekkim. W wymienionych obszarach zastosowań maluje się następujące elementy:
• w motoryzacji
– detale samochodowe wewnętrzne (deski rozdzielcze, kierownice),
– elementy zewnętrzne (zderzaki, spojlery, kołpaki),
– części konstrukcyjne pojazdów,
• w elektronice
– sprzęt radiowy i odbiorniki TV,
– sprzęt video, aparaty telefoniczne, itp.,
– sprzęt komputerowy (monitory, drukarki),
• w budownictwie
– rynny tworzywowe z PVC,
– płyty z tłoczywa,
– płyty z laminatów MDF,
– twarde pianki poliuretanowe,
– płyty poliestrowe,
– ramy okienne,
• w przemyśle lekkim
– zabawki
– sprzęt sportowy
– obuwie gumowe
– meble ogrodowe i biurowe.
Osobną, dużą dziedziną zastosowań powłok organicznych są opakowania, w tym przeznaczone do kontaktu z żywnością. Wzrost produkcji i zastosowań materiałów polimerowych wynika z ich zalet, do których należą:
– niska masa właściwa i obniżenie masy wyrobów finalnych
– łatwość przetwarzania
– obniżenie kosztów wytworzenia wyrobów
– odporność korozyjna.
Wymienione cechy tworzyw sztucznych powodują, że udział elementów tworzywowych np. w konstrukcjach samochodów stale rośnie i pojawiają się nowe odmiany tworzyw o wysokich parametrach technicznych. Najczęściej stosowane są termoplastyczne poliolefiny, polichlorek winylu i ABS [2].
Różnorodność stosowanych kompozycji polimerowych, charakteryzujących się różną budową chemiczną i wynikającymi z niej odmiennymi właściwościami fizycznymi powoduje, że stanowią one trudne podłoże do malowania. W porównaniu do malowania powierzchni np. stali czy drewna, malowanie tworzyw sztucznych jest bardziej złożonym zagadnieniem i stwarza znacznie więcej problemów. Najistotniejszą właściwością decydującą o podatności tworzywa do malowania jest jego napięcie powierzchniowe. W tabeli zestawiono wartości napięcia powierzchniowego wybranych tworzyw (dla porównania, napięcie powierzchniowe stali wynosi 45 mN/m).
Im niższe napięcie powierzchniowe kompozycji polimerowej, tym trudniejsze jest uzyskanie dobrego zwilżenia przez farbę i tym większe problemy z otrzymaniem prawidłowej, dobrze przyczepnej powłoki lakierowej. Takie tworzywa, jak np. poliolefiny, a zwłaszcza polipropylen, o niskim napięciu powierzchniowym i o niepolarnej budowie, są trudne do malowania i drukowania (podobnie jak i do klejenia). Znacznie łatwiej jest uzyskać dobrą adhezję powłok na tworzywach o bardziej polarnej budowie i o wyższych napięciach powierzchniowych.
Kompozycje tworzywowe mogą zawierać różne środki pomocnicze, np. stabilizatory UV, plastyfikatory, środki antystatyczne, które w wyniku migracji do powierzchni tworzywa ujemnie wpływają na ich podatność do malowania
Tworzywa sztuczne można rozpatrywać jako materiały, których skład chemiczny powierzchni nie jest do końca zdefiniowany. Migracja środków pomocniczych i innych niskocząsteczkowych składników może mieć wpływ na zmiany w składzie chemicznym warstwy powierzchniowej wraz z upływem czasu, które mogą spowodować spadek przyczepności otrzymanych powłok. Typowym przykładem może być plastyfikowany PVC – w przypadku źle dobranej farby może nastąpić z czasem delaminacja powłoki.
Przy malowaniu tworzyw sztucznych, główny problem polega na uzyskaniu dobrej i trwałej przyczepności powłoki lakierowej lub nadruku do powierzchni tworzywa. Przyczepność do podłoża jest najważniejszym czynnikiem decydującym o powodzeniu procesu malowania. Warunkiem otrzymania dobrej adhezji jest zwilżalność powierzchni tworzywa. Jeżeli farba nie zwilża dobrze podłoża, na powłoce tworzą się wady w postaci tzw. "rybich oczek" lub zbiegania od krawędzi. Wówczas prawdopodobnie napięcie powierzchniowe farby jest za wysokie w porównaniu do napięcia powierzchniowego tworzywa. Przy malowaniu tworzyw sztucznych należy kierować się zasadą, aby wartości napięcia powierzchniowego farby i malowanego podłoża były zbliżone. Decyduje o tym właściwy dobór wyrobu lakierowego i odpowiednie przygotowanie podłoża przed malowaniem.
Dobór wyrobu lakierowego
do malowania tworzyw sztucznych
Do malowania tworzyw sztucznych stosowane są farby i lakiery rozpuszczalnikowe oraz wodorozcieńczalne, jedno- lub dwuskładnikowe. Powłoki lakierowe schną fizycznie, chemicznie (w reakcji sieciowania żywicy podstawowej z utwardzaczem) lub pod wpływem promieniowania UV. Do najczęściej stosowanych należą dwuskładnikowe wyroby poliuretanowe. Mogą być transparentne (lakiery), kryjące barwne lub zawierające pigmenty specjalne, do których należą:
– pigmenty metaliczne – tworzą powłoki imitujące metal, np. srebro, aluminium, złoto, miedź
– pigmenty luminescencyjne (fluorescencyjne i fosforyzujące) – mają za zadanie emitować promieniowanie z zakresu widzialnego w określonych warunkach
– pigmenty perłowe – nadają powłoce perłowy efekt wywołany przez załamywanie i odbijanie padającego światła od płatków pigmentów.
Produkowane wyroby lakierowe przeznaczone do malowania tworzyw sztucznych muszą spełniać oczekiwania odbiorców i uwzględniać aktualne, często zmieniające się upodobania estetyczne. Powinny charakteryzować się, oprócz dobrej adhezji do malowanego podłoża, szybkim schnięciem, łatwością aplikacji, odpornością powłok na zarysowanie. Zastosowane wyroby lakierowe nie powinny obniżać właściwości mechanicznych malowanego tworzywa. Doboru rodzaju farby lub lakieru najlepiej dokonać na drodze eksperymentalnej, gdyż często zdarza się, że wyrób lakierowy spełniający wymagania w przypadku jednego tworzywa jest zupełnie nieprzydatny dla innego.
Przy doborze farby należy uwzględnić odporność tworzywa na temperaturę i na działanie rozpuszczalników. Tworzywa termoplastyczne, o małej odporności na temperaturę, cechują się dużą wrażliwością na działanie rozpuszczalników organicznych. Pod wpływem działania zawartych rozpuszczalników organicznych w wyrobie lakierowym użytym do malowania może nastąpić naruszenie jednorodności tych tworzyw, w różnym stopniu – począwszy od lekkiego zmiękczenia do całkowitej destrukcji. Powierzchniowe rozpuszczenie tworzywa wpływa niekorzystnie na wygląd powłoki lakierowej, jak również może spowodować spadek jego wytrzymałości mechanicznej.
Skład rozpuszczalników w wyrobie lakierowym musi być tak dobrany, co jest szczególnie ważne w przypadku tworzyw termoplastycznych, takich jak polistyren, polimetakrylany, PVC, aby spowodować lekkie spęcznienie malowanej powierzchni, sprzyjając zwiększeniu przyczepności powłok lakierowych. Tworzywa termoutwardzalne, w przeciwieństwie do termoplastycznych, charakteryzują się odpornością chemiczną na działanie większości rozpuszczalników organicznych. W tej grupie tworzyw do najczęściej stosowanych należą poliuretany, poliestry, tworzywa fenolowo-formaldehydowe i mocznikowo-formaldehydowe.
Wyroby lakierowe do malowania tworzyw sztucznych muszą posiadać podobne właściwości jak wyroby konwencjonalne. Wymaga się więc dobrej siły krycia, dobrej rozlewności, odporności powłok na działanie światła, zmiennych temperatur itp. W przypadku malowania elementów tworzywowych eksploatowanych na zewnątrz, powinny cechować się one doskonałą odpornością powłok na działanie warunków atmosferycznych. Zalecane są wówczas wyroby lakierowe akrylowe lub poliuretanowe alifatyczne. Mogą to być systemy rozpuszczalnikowe lub wodorozcieńczalne.
Do malowania tworzyw sztucznych przeważnie stosowane są wyroby lakierowe rozpuszczalnikowe, ale wraz z rozwojem nowoczesnych metod obróbki powierzchni tworzyw przed malowaniem, coraz częściej również wysokojakościowe farby wodorozcieńczalne [3]. Czynnikiem mającym wpływ na stosowanie wodorozcieńczalnych układów błonotwórczych są działania legislacyjne, związane z koniecznością ochrony środowiska i warunków pracy. Ostatnio wprowadzone dyrektywy europejskie 1999/13/EC i 2004/42/EC nakazują ograniczenie emisji lotnych substancji organicznych (VOC) w wyniku stosowania wyrobów lakierowych oraz narzucają ich producentom zmniejszenie zawartości VOC do określonych progów. Stosowanie farb i lakierów wodnych do malowania tworzyw sztucznych ma pewne ograniczenia. Uzyskanie dobrej przyczepności do podłoża jest znacznie trudniejsze niż przy stosowaniu farb rozpuszczalnikowych, do nałożenia powłok należy używać odpowiednich urządzeń aplikacyjnych, a po aplikacji – powłoki wymagają intensywnego suszenia. Pomimo tych ograniczeń, znaczne zużycie farb i lakierów wodorozcieńczalnych opartych na dwuskładnikowych układach poliuretanowych, np. dających efekt "miękkiego dotyku", obserwuje się w przemyśle samochodowym. Zastępują one farby winylowe, które tracą na znaczeniu, z uwagi na zbyt dużą zawartość VOC i nienajlepszą przyczepność do poliolefin oraz rozpuszczalnikowe farby poliuretanowe.
Asortyment nowoczesnych wyrobów lakierowych wodorozcieńczalnych do malowania tworzyw obejmuje: farby i lakiery akrylowe samosieciujące, poliuretanowe jednoskładnikowe lub dwuskładnikowe, zawierające dyspersje akrylowe z grupami hydroksylowymi zdolnymi do sieciowania z utwardzaczami alifatycznymi lub aromatycznymi oraz kompozycje hybrydowe akrylowo-poliuretanowe. Najnowszym rodzajem wyrobów lakierowych do malowania tworzyw są farby utwardzane promieniowaniem UV. Technologia farb UV ma wiele zalet jak szybkie utwardzanie, brak lub mała zawartość VOC i doskonałe zachowanie połysku. W skład tych farb wchodzi spoiwo składające się z oligomerów i monomerów zawierających zdolne do polimeryzacji wiązania podwójne. Stąd do rozpoczęcia polimeryzacji konieczne są fotoinicjatory. Trudne jest jednak otrzymanie farb UV do malowania tworzyw, głównie z powodu gorszej adhezji do podłoża w porównaniu z farbami rozpuszczalnikowymi. Optymalizacja istniejących systemów spoiwo/reaktywny rozcieńczalnik może doprowadzić do uzyskania farb o bardzo dobrych właściwościach do malowania tworzyw sztucznych [4]. W ostatnich latach technologia ta wchodzi coraz szerzej do przemysłu samochodowego. Znane są takie zastosowania jak utwardzanie powłok na wewnętrznych, trójwymiarowych elementach z tworzyw sztucznych oraz nadruków nanoszonych metodą sitodruku. Rozwój tych nowych zastosowań wiąże się z rozwojem bazy spoiwowej, środków pomocniczych oraz specjalistycznych urządzeń do aplikacji i utwardzania promieniowaniem UV powłok lakierowych.
Grubość powłok lakierowych na tworzywach, przy jednokrotnym malowaniu, jest na ogół niewielka i wynosi 10-20 µm. Wymalowania dekoracyjne, podobnie jak na innych podłożach, mogą być jedno- lub wielowarstwowe i składać się z np. z warstwy emalii bazowej zawierającej pigment metaliczny o dobrej przyczepności do podłoża i warstwy lakieru bezbarwnego, który zapewnia odporność na zarysowanie. Wymalowania na tworzywach sztucznych powinny charakteryzować się jednorodną i gładką powłoką, dobrą i trwałą adhezją do podłoża, odpornością na działanie wilgoci i wymaganymi cechami odpornościowymi.
Przygotowanie podłoża
przed malowaniem
Adhezja pomiędzy polimerami tworzywowymi a powłoką farb lub lakierów zależy głównie od właściwości warstwy wierzchniej tworzywa. Właściwe przygotowanie powierzchni niektórych kompozycji polimerowych przed malowaniem warunkuje przyczepność powłok lakierowych. Takie tworzywa, jak np. poliolefiny, polimery fluorowe, są odporne na działanie najczęściej stosowanych rozpuszczalników organicznych do produkcji wyrobów lakierowych. Niskie napięcie powierzchniowe i niepolarna budowa tworzyw powoduje, że otrzymanie dobrej adhezji wymaga zastosowania specjalnych metod. Obróbka powierzchni poprawia zwilżalność podłoża i adhezję poprzez wzrost napięcia powierzchniowego, nadanie polarności i usunięcie substancji przeciwadhezyjnych. Obecność nawet znikomych ilości środków przeciwadhezyjnych, np. silikonowych, używanych przy formowaniu elementów tworzywowych do oddzielenia gotowych elementów od formy, w poważnym stopniu osłabia przyczepność powłok lakierowych.
Powierzchnię do malowania przygotowuje się różnymi metodami – od oksydacji powierzchni metodą płomieniową lub plazmową poprzez stosowanie metod chemicznych (chlorowane poliolefiny). Szczegółowe omówienie metod obróbki powierzchni tworzyw sztucznych wykracza poza ramy niniejszego artykułu, ale warto wspomnieć o stosowaniu promotorów adhezji zawierających chlorowane poliolefiny do przygotowania powierzchni termoplastycznych poliolefin. Poprawa przyczepności jest wynikiem dyfuzji promotora w powierzchniowe warstwy tworzywa. Chlorowane poliolefiny stosowane są w postaci niskoprocentowych roztworów w rozpuszczalnikach organicznych, ale mogą być również użyte w postaci dyspersji w wodzie. Metoda polega na nałożeniu cienkiej warstewki (rzędu kilku mikronów) rozcieńczonego roztworu chlorowanego polietylenu na powierzchni tworzywa i jej wysuszeniu. Szereg danych literaturowych omawia wpływ, jaki na procesy adhezji i kohezji wywiera budowa chlorowanych poliolefin, różniących się zawartością chloru, masą cząsteczkową, liczbą kwasową, stopniem krystaliczności oraz temperaturą zeszklenia [5-6].
Metody malowania
Powłoki na tworzywach sztucznych można otrzymywać metodą natrysku lub techniką formowania tworzyw w pomalowanych formach. Ta ostatnia technika stosowana jest w procesie produkcji elementów z integralnych pianek poliuretanowych, elastycznych lub sztywnych. Wybór metody zależy od rodzaju malowanego tworzywa i skali procesu. W przemyśle samochodowym rozwinęła się technika malowania natryskiem elektrostatycznym, po uprzednim nałożeniu specjalnych przewodzących podkładów (np. zawierających grafit). Metoda ta pozwala na uzyskanie wysokiej wydajności technologii malowania.
Bardzo ważnym czynnikiem decydującym o jakości wymalowań jest czystość powietrza w pomieszczeniach malarskich, zarówno podczas procesu malowania jak i schnięcia powłok. Ze względu na gromadzenie się ładunków elektrostatycznych na powierzchni tworzyw, należy przed malowaniem usunąć je za pomocą płynów antystatycznych (szczególnie w przypadku tworzyw termoplastycznych). Przy otrzymywaniu dekoracyjnych nadruków na płaskich elementach tworzywowych, np. na panelach z PVC stosowana jest technika nakładania farb metodą tampondruku. Pozwala ona na pełną automatyzację procesu malowania i osiąganie dużej wydajności.
Autorka reprezentuje
Instytut Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych "Metalchem" w Toruniu Oddział Zamiejscowy Farb i Tworzyw w Gliwicach,
H.Kuczynska@ipts.pl
drukuj ten artykuł
poleć artykuł znajomemu
Najświeższe informacje w kanale RSS (jak używać) 
Kwiecień 2006
Zawartość numeru:
- Technologie:
- Chemia Gospodarcza i Kosmetyki:
- Zarządzanie:
- Rynki Chemii:
- Powłoki:
- Malowanie tworzyw sztucznych
- Wydarzenia:
Zobacz pozostałe numery Chemical Review »