ТРИЗ-fest 2010 Порошковая окраска диэлектриков

 
Стендовый доклад
 
 АННОТАЦИЯ
В 2008 году, СПб компания «Арт Инжиниринг» приняла решение о разработке новой технологии для окраски мебельных фасадов из МДФ* с помощью установок порошковой окраски.
 * МДФ (Medium Density Fiberboard) – древесноволокнистая плита средней плотности (от 700 до 850 кг/м3). Очень популярная в мебельной индустрии.
 
Существующая технология порошковой окраски МДФ требовала использования токопроводящей грунтовки австрийской компании «Тайгер», которая очень сильно увеличивала стоимость продукции.
Перспективный рынок, огромные возможности текстурированных порошковых красок ( краски под «медь, бронзу, гранит», «молотковая эмаль» и тому подобное), удобства самой технологии порошковой окраски делали задачу удешевления комплектующих актуальной.
Была поставлена задача замены импортных комплектующих - отечественными.
В результате поставленная задача оказалась перевыполненной, потому что созданная новая технология порошковой окраски позволяет успешно красить не только МДФ, но и такие материалы как HDF, OSB, фанеру, керамику, стекло, фаянс и древесину и даже ткани.
 Кроме того, новая токопроводящая грунтовка на основе эпоксидных смол обладала повышенной адгезией, чем обеспечивала очень высокую климатическую стойкость. Окрашенные с помощью этой технологии изделия можно использовать на улице, что расширяет рынки.
На новую технологию было получено 6 патентов, два из которых уже пришли.
Компания «Арт Инжиниринг» выпустила в 2008 году ТУ «ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОРОШКОВОЙ ОКРАСКИ ДИЭЛЕКТРИКОВ НА ОСНОВЕ   УПРОЧНЯЮЩЕГО ТОКОПРОВОДЯЩЕГО ГРУНТА УТГ 017«АРТ – ИНЖИНИРИНГ»
 
Новая технология позволила не только получить независимость от ценовой политики австрийской компании, но и получить много новых направлений в бизнесе.
  • Окраска очень перспективного экологически чистого материала OSB ( прессованная под очень большим давлением древесная щепа, разработанного в Канаде, его очень трудно красить жидкими красками),
  • Окраска гипсобетонных блоков для наружного использования,
  • Окраска волнистого и плоского шифера в цвета « под бронзу» , «под гранит», что увеличивает срок использования шифера предположительно до 50 лет,
  • окраска бутылок и листового стекла. Многие сорта вин портятся от воздействия света и требуют   применения непрозрачных бутылок.
 
1. Что такое порошковая окраска МДФ плит
МДФ (MDF, Medium Density Fiberboard, древесно-волокнистая плита средней плотности) в настоящее время представляет собой один из основных материалов, используемых в мебельной промышленности и строительстве. Мебельные фасады и горизонтальные поверхности, накладки для металлических дверей, разного рода отделочные плиты – этим далеко не исчерпывается применение МДФ и его более плотного и часто водостойкого собрата – ХДФ (HDF, High Density Fiberboard, древесно-волокнистая плита высокой плотности).
Технология производства МДФ схожа с технологией производства бумаги. В качестве сырья используется мелкое древесное волокно, которое для придания твердости и формы прессуется с соответствующим связующим составом на основе искусственных смол. Технологией производства определяются и основные свойства МДФ:
Положительные
  • Дешевизна по сравнению с цельнодеревянными материалами
  • Большая однородность по сравнению с древесно-стружечными материалами
  • Легкость обработки и установки
 
Отрицательные:
  • Влагопроницаемость вследствие пористой структуры (недостаток, частично устраненный в ХДФ)
  • Отсутствие естественной декоративной структуры поверхностей (в отличие от древесины или декоративных древесно-стружечных материалов)
  • Выделение при сильном нагреве газов, сходных по составу с боевыми отравляющими веществами (фосген и подобные)
 
Для декоративного покрытия МДФ применяются в основном две технологии: –ламинирование и окраска. При этом если технология окраски жидкими красками более или менее традиционна, окраска МДФ порошковыми красками переживает бурное технологическое развитие. Впервые технология порошковой окраски проводящих изделий была использована в Австралии в 1967 году.
Во многих публикациях отмечается, что состояние технологии порошкового покрытия МДФ такое же, как 30 лет назад технологии порошкового покрытия металлических поверхностей. По образному выражению представителя компании Nordson, при всех технологических новшествах, которые применяются в окраске порошковыми красками МДФ, эти технологии все еще представляют собой зону высокого риска. «Рынок ждет, кто первый рискнет и сделает значительные вложения в технологию».
  • Вместе с тем все отмечают высокую привлекательность такой технологии. Основные преимущества следующие:
  • Нанесение порошковой краски – значительно более «чистое» производство в отношении выделения так называемых VOC – volatile organic substances, летучих органических соединений. Эти соединения входят в состав большинства растворителей для жидких красок.
  • Процесс порошковой окраски существенно более экономен в плане расходования порошков, так как рассыпавшийся и не попавший на окрашиваемые детали порошок можно собирать и заново использовать. По утверждению Пола Петерса, генерального директора компании бельгийской компании Ledro (статья «Современная технология порошковой окраски»), можно достичь:
 - 99% утилизации порошка.
 - Простой одношаговый процесс нанесения краски
 - Быстрая и простая смена цветов
 - При полимеризации порошковых красок возникает целый ряд декоративных эффектов, недостижимых в случае обычных красок.
Данная статья посвящена обзору идей, технических решений и внедренных готовых технологий в окраске МДФ порошковыми красками.
 
2. Проблемы окраски МДФ
При разработке технологий порошковой покраски МДФ инженеры сталкиваются с целым рядом проблем. По выражению Пола Миллза в статье «Как покрывать МДФ порошковой краской», «все происходило как обычно. Небольшие экспериментальные детали выглядели великолепно, но когда процесс применялся к настоящим изделиям, поверхность оказывалась неоднородной, полимеризация незавершенной и в целом качество было неудовлетворительным».
Основные проблемы можно сформулировать следующим образом:
Низкая проводимость МДФ. Основной метод нанесения порошковой краски – электростатический. Частицы порошковой краски заряжаются (либо приложением электрического потенциала, либо от трения о сопло распылителя). Заряженные частицы «прилипают» к заземленной окрашиваемой детали. При этом определяющую роль играет проводимость этой детали. Проводимость МДФ существенно ниже, чем металла, поэтому порошок ложится существенно хуже и слой краски получается тоньше.
 Низкая термостойкость МДФ. После нанесения порошка для дальнейшей полимеризации окрашенной поверхности необходим нагрев до температуры 150-2000С. При таких, и даже более низких температурах МДФ, в отличие от металлов, МДФ начинает выделять газы – продукты разложения связующих смол. Кроме того, при нагреве МДФ «коробится», изменяет форму.
 Пористая волокнистая структура МДФ. Даже у высококачественного МДФ поверхность ворсистая, что ухудшает качество окрашенной поверхности.
 Разброс качества МДФ. Такие важные параметры МДФ как плотность и влажность сильно различаются у различных марок и производителей МДФ. Более того, существует значительный разброс параметров от партии к партии, а также внутри партий. Зависит качество покраски и от условий предварительного хранения МДФ – материал может пересыхать или, наоборот, приобретать дополнительную влажность, что сказывается в первую очередь на электропроводности и интенсивности газовыделения.
 
3. Технические решения для решения проблем
Для обзора существующих технических решений прежде всего рассмотрим общую технологическую схему покрытия деталей порошковой краской (см. рис.1)
 
 
Рис 1 Технологический процесс порошковой окраски.
 
Основной целью предварительной обработки деталей является улучшение качества нанесения порошка. Поскольку основным фактором в этом плане является электропроводность поверхности, то здесь имеется две основные возможности:
А. Увеличение естественной проводимости МДФ путем предварительного разогрева.
Пористый материал МДФ содержит в себе воду, как в свободном состоянии, так и в связанном в виде комплексов с молекулами целлюлозы. Нагрев перемещает влагу к поверхности, тем самым увеличивая ее проводимость. Кроме того, достигаются следующие преимущества:
Нагрев способствовал частичной дегазации МДФ до нанесения порошка, что впоследствии приводит к меньшему газовыделению при полимеризации и уменьшает опасность появления «пузырей»
            При столкновении с нагретой поверхностью порошок частично «плавится», что способствует прилипанию порошка поверхности даже в случае недостаточной проводимости.
Основных методов разогрева два – инфракрасный и конвекционный. Конвекционный разогрев более глубокий и мягкий. Он лучше действует в плане объемной дегазации и перемещения влаги к поверхности, но температура поверхности при этом ниже и эффект теплового «прилипания» порошка слабее.
Инфракрасный нагрев позволяет достигать существенно больших температур поверхности существенно быстрее – однако ценой неравномерности разогрева, что приводит к короблению, меньшей дегазации и меньшей электропроводности.
Кроме того, возможен и разогрев поверхности микроволновым излучением. Такой способ сочетает в себе быстроту инфракрасного нагрева с объемной равномерностью конвекционного. Однако для его реализации нужно добиться равномерного СВЧ-излучения по всему объему детали, что достаточно сложно.
Следует заметить, что техники предварительного разогрева, по утверждению специалистов, хорошо «работают» при диапазоне влажности МДФ 5-8%. Примером патента, в котором описана технология предварительного разогрева, является европейский патент EP0933140 для покрытия материалов из дерева (нагрев до 40-1000С).
Существуют также комбинированные способы увлажнения и разогрева поверхности, например разогрев поверхности теплом и паром (микроволновым либо инфракрасным излучением) для повышения проводимости (US Patent 6458250).
 
Б. Предварительное покрытие поверхности МДФ проводящим грунтом.
Использование грунта позволяет решить сразу две технические проблемы:
Проводящий грунт существенно увеличивает проводимость поверхности и, следовательно, повышает качество нанесения порошковой краски. Можно добиться существенно более толстого слоя порошка и, соответственно, значительно более высокого качества поверхности.
 Проводящий грунт «сглаживает» естественную ворсистость поверхности МДФ, что также отражается на качестве поверхности.
Существует целый ряд запатентованных технологий использования проводящего грунта, в частности:
  • Водный раствор для обработки непроводящих поверхностей (патент Wipo Patent WO/2006/129173). Этот состав состоит из двух солей и водорастворимого спирта. Первая соль – соль аммония, вторая – хлорид натрия, неочищенная морская соль или гипосульфит натрия.
  • Проводящая эмульсия для подготовки поверхности для порошковой окраски (патенты США 20060084706, 20030180551, 7015280). Эмульсия готовится на основе эмульгированнного раствора органофункциональных силанов)
  • Секретный патент, принадлежащий компании AKZO NOBEL (Европейский патент EP1366124)
  • Способ нанесения порошковых покрытий на дерево и состав для этого (патент CA2351036). Способ состоит в нанесении эпоксидного поляризатора и эпоксидного растворителя на непроводящую поверхность с последующим высушиванием для создания проводящего слоя с дальнейшим нанесением порошковой краски.
  • Способ и состав для обработки подложки для нанесения порошкового покрытия (патент GB1524531). Состав для увеличения проводимости деталей для порошкового покрытия на основе пластифицированного биозащитного состава для древесины, водоотталкивающего воска, полярной жидкости и растворителей.
  • Электропроводящая поверхность МДФ (патент США 7090897). Поверхность создается внедрением проводящего материала на основе кокоалкиламина с растворителем в лигноцеллюлозный субстрат (например МДФ), с последующим предварительным разогревом перед нанесением порошка.
Приведенный перечень далеко не исчерпывает существующих технических решений. В частности, компания Art Engineering использует отличный от других тип грунта, обладающий высокой адгезией к материалу и высокой проводимостью. Естественная ворсистость МДФ полностью «скрывается» грунтом, что обеспечивает высокое качество порошкового покрытия.
 
Следует заметить, что технологии, связанные с предварительным грунтованием поверхности обладают и рядом недостатков. В частности, теряется «одношаговость» процесса порошковой покраски, поскольку использование грунтов сопряжено с необходимостью дополнительных «шагов» технологии – собственно нанесение и высушивание. Кроме того, ряд грунтов содержит растворители на основе летучих органических соединений, что делает всю процедуру порошковой покраски значительно менее экологически чистой.
Полный обзор проблем порошковой окраски диэлектриков можно найти на сайте компании «Арт Инжиниринг» http://www.artengi.ru/catalog/powder/overview
 
4. Использование методов инновационного проектирования при разработке новой технологии.
Относительно полное описание использования различных методик в проведённом проекте можно найти на личном сайте менеджера этого проекта и соавтора публикуемого материала
Краткое изложение этого раздела можно проиллюстрировать следующей логикой: Необходимо было заменить грунтовку компании «Тайгер», другим, более дешёвым составом. Для этого использовались подходы и модели «функционально ориентированного поиска» , разработанные в СПб компании НИЦ «Алгоритм» и используемые в инновационном консалтинге американской компании  GEN3 Partners. Смотри сайт компании http://gen3.ru/
Эти подходы позволили достаточно быстро найти три перспективных технологии : токопроводящая паста для обогрева стёкол автомобилей, патент B05D1/06, опубл. 2006.03.20 , который стал прототипом для создания 6 патентов компании «Арт Инжиниринг».
Токопроводящий клей для приклеивания линолеума в электрических щитовых комнатах UZIN.
И специальные вещества, которые могут создавать сильное электростатическое поле на любой поверхности – полиэлектролиты (4). Наиболее сильный полиэлектролит, известный в природе – человеческая лимфа.
Эти вещества использовались для защиты дорого от распространения радиоактивной пыли во время чернобыльской катастрофы. При этом, изготовление простейшего полиэлектролита очень не сложное: это смесь флоккулянта ( очистителя воды) и обычного обойного клея КМЦ
За основу была использована и адаптирована первая технология.
 В процессе адаптации было решено много вторичных задач. Например, проблема неравномерности распределения заряда на протяжённых объектах типа «декоративная накладка из МДФ на металлическую дверь». С помощью Приёмов разрешения Технических Противоречий был разработан « игольчатый заземлитель» ( приём 1 « Дробление на части») и способы борьбы с пузырями на торцах МДФ – « газоотводные каналы» ( приём 3 «местное качество»).
Это далеко не полный перечень примеров решения вторичных задач, которые являются обязательными спутниками любого инновационного проекта.
 5. Основные результаты проекта.
Компания «Арт Ижиниринг»
·         в течении 8 месяцев разработала новую технологию порошковой окраски на основе использования новой токопроводящей грунтовки.
·         адаптировала эту технологию к конкретном сортам МДФ и выпустила ТУ в виде инструкции по использованию этого нового грунта.
·         Защитила технологию 6 патентами.
·         Приступила к продажам этого грунта другим компаниям, которые занимаются окраской МДФ
·         Приступила к разработке новых направлений в бизнесе:
·         Окраска гипсобетонных блоков для наружного использования
·         Окраска плоского и волнистого шифера
·         Окраска бутылок для специальных сортов вин.
 
И конечно, освоила окраску мебельных фасадов как основной вид деятельности в направлении « порошковая окраска».
 

Алфавитный указатель: 

Рубрики: 

Subscribe to Comments for "ТРИЗ-fest 2010 Порошковая окраска диэлектриков"