Плакирование  металлов полимерами

Термин «плакирование» означает нанесение на поверхность  слоя (металлических листов, плит и  т. д.) другого металла или сплава термомеханическим способом. В процессах  производства листовой, полосовой и  ленточной стали на металлургических предприятиях полуфабрикат плакируют  оловом, медью, цинком и пленками других металлов. Развитие промышленности полимерных материалов послужило основой для  перехода от металлических к более технологичным и экономичным полимерным покрытиям. Понятие «плакирование» расширилось и применительно к процессам изготовления металлополимерных материалов и изделий стало означать получение на длинномерном металле пленки покрытия, формируемого из полимера.

Отделка различными покрытиями рулонного металлического проката перед изготовлением из него промышленных изделий в последние годы находит все более широкое применение. Нанесение покрытий производят на непрерывных линиях непосредственно в процессе производства металла на металлургических предприятиях, либо наносят их на готовый прокат, сматываемый с рулона.

Энергозатраты при нанесении покрытий на полосовой и ленточный металл в 4—6 раз меньше, чем расход энергии при формировании покрытий на изделиях, изготовленных из полосы (ленты), не имеющей предварительно нанесенного покрытия. Это объясняется, в первую очередь, практически предельной загрузкой оборудования и возможностью оптимизации параметров технологического процесса непрерывного плакирования металла, что трудно достичь при нанесении покрытий на отдельные детали. Кроме того, при плакировании за один проход металла можно создать многослойное покрытие как с одной, так и с обеих сторон движущейся полосы, в то время как при обработке отдельных деталей создание каждого слоя покрытия представляет собой самостоятельную технологическую операцию.

Плакированный пленкой полимера листовой металл —  металлопласт — представляет собой  пример комбинированного металлополимерного материала, в котором наиболее полно сочетаются достоинства металлов и полимеров. Экономическая целесообразность и перспективность металлопластов обусловливаются также их технологическими свойствами. Плакированный металл можно подвергать гибке, резке, штамповке, глубокой вытяжке и другим видам механической обработки без нарушения покрытия, сохраняющего свои функциональные свойства. Листы металлопласта можно соединять фальцовкой, винтами, заклепками, склеиванием, в некоторых случаях применима и электросварка.

Листы, ленты  и полосы металла с защитно-декоративным, антифрикционным, диэлектрическим  и другими полимерными покрытиями, полученными в процессе изготовления металла, в последние годы производятся во всех промышленно развитых странах. Например, в странах Западной Европы в 1974 г. только плакированного алюминия было произведено 358 тыс. т. Обработкой рулонного металла в Западной Европе занято около 50 фирм, объединенных в ECCA — Европейское общество производителей металлопласта. В США 28 крупных корпораций объединены в национальное общество производителей металлопласта (NCCA), и  в 1972 г. на более чем 200 линиях они  выпустили 1 млн. 967 тыс. т плакированной  стали и алюминия.

Установки для  нанесения покрытий на металл принципиально  одинаковы. Плакирование проводится по следующей технологической схеме: подача (сматывание с рулона) металла; подготовка поверхности металла; нанесение подслоя (грунта) с одной пли обеих сторон; нанесение основного (отделочного) слоя покрытия; специальная обработка покрытия (тиснение, облучение и др.) раздельно или одновременно с сушкой и охлаждением; сматывание в рулоны.

Типичная современная  установка для производства металлопласта  — это технически совершенная  и высокопроизводительная линия  протяженностью до 250 м, в которой  покрываемая полоса движется со скоростью  до 2,5 м/с. В действующих линиях минимальная ширина покрываемой полосы — 13 мм, максимальная — 1850 мм, толщина полосы доходит до 2 мм.

Фирмами «МсКау Machine Company» (США) и «Saimon Wald-ron» (Англия) разработаны линии для нанесения полимерных покрытий на металлическую полосу.

Принцип работы линий достаточно прост. Сварочное (сшивающее) устройство обеспечивает соединение концов полос при перезарядке  линии новым рулоном металла. Входной накопитель (петлевого или  другого типа) позволяет приостановить  полосу на несколько секунд (до 40) при  смене рулона и сшивке (сварке) концов без изменения скорости движения полосы на следующих за накопителем  участках линии. Основным фактором, лимитирующим скоростные параметры линии, является время, необходимое для подготовки поверхности металла под покрытие, формирования слоя полимера и обеспечения  достаточной адгезионной прочности соединения полимер — металл.

Простейшими методами подготовки поверхности полосового металла являются: механическая очистка  от окалины и ржавчины, травление, обезжиривание с последующим  фосфатированием. Значительного повышения адгезионной прочности можно добиться горячим фосфатированием металла, предварительно подвергнутого песко- или дробеструйной обработке. В случаях, когда к плакированному материалу предъявляются повышенные требования по коррозионной стойкости, полосу предварительно металлизируют тонкими слоями цинка, олова, меди, никеля, хрома или других металлов. Металлизацию осуществляют электролитическим осаждением металлов или их испарением в вакууме.

Методом испарения  в вакууме наиболее целесообразно  наносить покрытия из металлов, которые  трудно или невозможно нанести электроосаждением. При этом на противоположные стороны стальной полосы можно наносить покрытия разных металлов, а также получать за один проход полосы многослойные покрытия. В работе приведены данные о работающих, строящихся и проектируемых в СССР и ряде других стран непрерывных агрегатах для нанесения металлических покрытий в вакууме на полосовую сталь. Среди них следует отметить первую в мире промышленную установку производительностью 240 тыс. т в год, пущенную в эксплуатацию в 1966 г. в г. Файерлес Хиллс (США). Скорость движения стальной полосы на этой установке составляет 8 м/с, максимальная ширина полосы — 1150 мм, толщина — 0,9 мм, испаряемый материал — алюминий.

Кроме металлизации, а также химической, механической и электрохимической подготовки поверхности металла на некоторых  линиях производят также предварительное  нанесение на полосу грунтовочных покрытий или горячих активированных клеев. Для повышения адгезии пленки полимера к металлу используют подслой, полученный напылением на горячую полосу порошка того же полимера. Например, предложен способ нанесения пленки полиэтилена по полиэтиленовому  подслою, полученному газопламенным  напылением порошка. Поскольку адгезия  полиэтилена в основном определяется степенью его окисления, неизбежного  при газопламенном напылении, аналогичный  эффект достигается при использовании  в качестве подслоя порошка облученного  полиэтилена, полученного при действии у-излучения изотопа 60C (доза до 5 Мрад в кислородсодержащей среде). Адгезия пленок политетрафторэтилена также существенно повышается при использовании в качестве подслоя порошка того же полимера, облученного дозами до 0,2 Мрад. Применение подслоя толщиной 5—50 мкм из радиационно-модифицированного порошкообразного полиэтилена, нанесенного на поверхность металла, например, электростатическим методом, позволяет резко интенсифицировать процесс создания высокопрочного соединения пленочного полиэтилена с металлом за счет значительного сокращения продолжительности и снижения температуры формирования покрытия

Оптимизация радиационно-термических  условий формирования адгезионных соединений пленочный полиэтилен — листовая сталь особенно важна для повышения экономичности высокоскоростных линий плакирования металла пленкой полимера.

С целью увеличения адгезии неполярного полимера к  металлу предложено предварительно на металлическую поверхность электростатически наносить крупнодисперсные частицы (размером 200—500 мкм) полярного полимера, обладающего хорошей адгезией к металлу и совместимого с полимером основного материала покрытия. Крупнодисперсные частицы оплавляются на металлической основе, образуя развитую шероховатую поверхность. Затем электростатически наносят мелкодисперсный (с размером частиц преимущественно менее 100 мкм) слой неполярного полимера, совместимого с материалом основного покрытия. Таким образом можно существенно повысить адгезию слабополярных полимеров к металлам. Например, применение монослоя крупнофракционного (размер частиц 300 мкм) поливинилбутираля, оплавленного на стали, покрытого дисперсным полиэтиленом и прогретого затем при 473 К, позволяет повысить прочность соединения полиэтилена со сталью в 2,5 раза.

Частицы подслоя  полимера, совместимого с основным плакирующим материалом, оплавленные  на металле в виде изолированных или связанных микроучастков, можно надежно закрепить на его поверхности с помощью электролитически осаждаемого слоя металла. Этот принцип позволяет получать соединения пленки полимера с металлом, не расслаивающиеся при эксплуатации в жидких средах. Микроучастками может служить как оплавленный дисперсный полимер, так и приплавленная к металлу полимерная сетка. Возможно электролитическое осаждение металла как идентичного материалу основы, так и любого другого, образующего с ним прочное соединение. При осаждении более электроотрицательного металла образующийся слой не только обеспечивает механическое закрепление полимера, но и выполняет функцию катодной защиты основы. Толщина слоя электролитического осадка должна составлять около 2/3 высоты микроучастков полимера (до создания заполненных полимером поднутрений в металле). На подготовленную таким образом поверхность металла наносят покрытие из полимера, совместимого с материалом микроучастков. Сравнительные исследования прочности соединений полиэтилена, а также поликапроамида с металлами, полученных без и с таким металлополимерным подслоем, показали, что во втором случае прочность соединений на порядок больше, при этом в жидких средах она практически не изменяется.

Полоса металла  с электролитически закрепленными микроучастками полимера может рассматриваться не только как полуфабрикат при получении металлопласта, но и как материал антифрикционного назначения для подшипников скольжения, работающих без смазки. Полимер при этом выполняет функции самосмазывающегося материала, а металл основы и осажденный слой обеспечивают заданные конструкционную прочность и теплопроводность. Антифрикционные свойства подобного материала определяются природой полимера и осаждаемого металла, их объемным соотношением, наличием в полимере антифрикционных добавок и т. д.

Исследования  антифрикционных свойств металлополимерного покрытия поликапроамид — электролитическое железо, нанесенного на поверхность стальной ленты, показали его преимущества перед ленточным материалом на основе оловянистой латуни (так называемый томпак), используемым в узлах трения автотракторного электрооборудования: износостойкость при сухом трении увеличивается более чем в 10 раз, коэффициент трения снижается в 1,5—1,8 раза.

Описанные выше методы подготовки поверхности металла, обеспечивая требуемую прочность  адгезионного соединения полимера с металлом основы, предшествуют важнейшей технологической операции процесса плакирования — формированию на поверхности полосы полимерного покрытия. При плакировании пленка полимера либо изготавливается непосредственно в агрегате плакирования методами экструзии, каландрирования и т. п., либо используются рулоны готовой пленки. Поскольку длина пленки в рулоне конечна и при высоких скоростях плакирования требуется частая перезарядка линии пленкой (иногда с остановкой линии), а также по ряду других технологических и энергетических критериев первый принцип является более универсальным и обеспечивает большую производительность.

Нанесение покрытия можно производить валками из паст, растворов, суспензий полимеров  на одну или обе стороны полосы при прямом (валки вращаются в  направлении движения полосы) или  обратном направлениях движения. Трение между наносящим валком и плакируемой полосой способствует равномерному распределению полимерного материала и обеспечивает создание равнотолщинного глянцевого покрытия. Чтобы заменять полимерный материал без остановки линии несколько комплектов валков устанавливают последовательно. Толщина наносимых покрытий колеблется от 5 до 250 мкм. Более толстые слои покрытия, а также покрытия из суспензий, например на основе фторопластов, получают при использовании питающих валков с винтовой нарезкой. Валки служат для нанесения как грунтовочного, так и основного слоев покрытия и имеют, как правило, индивидуальные приводы.

Металл, плакированный  пленками полимеров, получают также  путем плавления термопластичного или отверждения термореактивного полимера непосредственно в рулоне при заданной температуре. Процесс включает подготовку поверхности листового металла (очистка от ржавчины, обезжиривание, нанесение промежуточных подслоев, хромирование, фосфатирование и т. п.) и формирование металлополимерного блока путем сматывания исходных материалов в рулон под соответствующим натяжением. Затем через листовой металл рулона пропускают электрический ток для разогрева металла до заданной температуры. Выделяемая тепловая энергия используется либо для оплавления слоя полимера, граничащего с металлом, либо на прогрев термореактивного полимера, что ускоряет процесс его отверждения.

При необходимости  получения двух- или трехслойных  материалов, например фольгированных пленочных диэлектриков, применяют различные гибкие антиадгезионные прокладки многократного использования, например фторопластовые, триацетатные пленки и т. д. После прогрева такой рулон разматывают, а затем раскраивают. Данный способ позволяет получать электропроводящие теплоизоляционные, химически стойкие, антифрикционные, декоративные и другие материалы. Многослойный материал обладает повышенными физико-механическими характеристиками и может применяться в качестве конструкционного в авиации, электро- и радиотехнике, для защиты от коррозии, а также для изготовления емкостей, труб, корпусов, футляров и т. д.

                  Установка включает также два намоточных барабана, выполненных из теплостойкого диэлектрика, на которых жестко закрепляют стальную ленту толщиной 0,2—0,4 мм, обладающую высоким электрическим сопротивлением. Лента обеспечивает высокие усилия натяжения в процессе намотки материалов на барабан. Через скользящие электроконтакты ленту включают в цепь источника постоянного тока, в качестве которого используют сварочный агрегат. Установка содержит необходимые системы измерения и управления, позволяющие в широких пределах регулировать усилия натяжения и скорость намотки материалов, осуществлять намотку с заранее заданными параметрами. На этой установке можно получать слоистые армированные полимерные и металлополимерные материалы на основе термореактивных и термопластичных пленочных и пропиточных полимерных связующих.