SUSZENIE I POLIMERYZACJA POWŁOK WYKONANYCH Z LAKIERÓW PŁYNNYCH LUB PROSZKOWYCH ZA POMOCĄ PODCZERWIENI Z TERMOREAKTORÓW KATALITYCZNYCH BEZPŁOMIENIOWYCH

Słowa kluczowe: promieniowanie podczerwone, spalanie katalityczne, suszenie i polimeryzacja powłok lakierniczych, termoreaktory gazowe katalityczne, proces bezpłomieniowy.

Streszczenie: omówiono zasady działania emiterów podczerwieni w zastosowaniach przemysłowych do suszenia i polimeryzacji powłok z podkładów i lakierów rozpuszczalnikowych, wodnych i proszkowych. W podsumowaniu przedstawione są praktyczne przykłady korzyści zastosowania energii promieniowania w porównaniu z energią konwekcyjną pod względem czasu obróbki i zużycia energii.

Abstract: The principles of operation of IR emitters in the industrial applications involving drying and polymerization of primer coats and solvent-release, water-borne, and powder paints are presenting. Practical benefits are summarized, emerging from the application of radiation as compared with convection energy and emphasize the economies achieved as regards the time of treatment and consumption of energy.

1. Wstęp

Wciągu ostatnich dziesięcioleci szczególnego znaczenia nabrała, obróbka promieniowaniem podczerwonym (IR) farb i wszelkich innych powłok węglowodorowych nanoszonych na powierzchnie metali, tkanin, papieru, skóry itp. W porównaniu z innymi metodami, wykazuje ona wiele zalet tak z punktu widzenia jakości efektu końcowego jak i z punktu widzenia ekonomiki. Promieniowanie IR jest przenoszone w powietrzu jak promieniowanie widzialne.
Ten sposób przenoszenia energii wykazuje:

- dobrą sprawność przy przenoszeniu od źródła do produktu, środowisko pośredniczące nie jest podgrzewane i praktycznie nie pochłania energii
- w przypadku produktów o kształtach nieregularnych: odbierana energia ulega lokalnym zmianom z powodu zmian odległości od źródła i kątów padania.

Rys. 1. Widmo emisyjne termoreaktorów w porównaniu z widmem emisyjnym elektrycznych generatorów podczerwieni [1].

Istnieje wiele typów generatorów podczerwieni, z których głównymi są : rury szklane lub krzemowe podgrzewane elektrycznie włóknami wolframowymi, płyty ceramiczne podgrzewane płomieniowo lub elektrycznie oraz termoreaktory katalityczne. Te ostatnie obejmują zespół katalityczny, przez który przechodzi mieszanka powietrze - gaz (propan lub gaz ziemny) lub sam gaz. Powietrze konieczne do spalania jest wówczas nawiewane na zewnętrzną powierzchnię płyty katalitycznej. Reakcja spalania odbywa się w temperaturach niższych od temperatury zapłonu mieszanki.

Na wyższość promieniowania nad konwekcją (gorące powietrze), składają się:

- Gęstość mocy grzejnej przekazywane przez generator podczerwieni jest, w danej temperaturze, znacznie wyższe od gęstości mocy gorącego powietrza.

Rys. 2. Porównanie gęstości mocy : (typowego) generatora podczerwieni i powietrza w funkcji temperatury [1].

- Promieniowanie podczerwone (IR), o odpowiednich długościach fal, jest pochłaniane np. przez warstwę farby, podgrzewając ją w głąb i zapewnia w ten sposób dobre odparowanie rozpuszczalników, stabilizację spoiwa i pigmentów, oraz równomierną polimeryzację. Przy suszeniu konwekcyjnym zachodzi ryzyko utwardzenia powierzchni powłoki i zamknięcia rozpuszczalnika w całej grubości warstwy. Może to powodować bąbelkowanie, a zadawalającą twardość osiąga się dopiero po upływie dłuższego czasu [1].

- Przeciwnie do systemów suszenia konwekcyjnego, promieniowanie podczerwone podgrzewa głównie produkt, który ma być poddany obróbce, suszy go i polimeryzuje bez potrzeby dostarczania powietrza z zewnątrz i utrzymywania tego powietrza w temperaturze wymaganej do odparowania rozpuszczalników. Daje to znaczący zysk na czasie i energii.

2. Katalizatory

W katalizie mającej tu zastosowanie, odczynniki są gazowe, a katalizator jest ciałem stałym. Reakcja ma miejsce na powierzchni ciała stałego skąd spotykana czasami nazwa katalizy kontaktowej. Katalizator posiada na swojej powierzchni obszary aktywne, o szczególnych własnościach. Mogą to być obszary o nieregularnej krystalizacji (naroża, odległości), z ubytkami kationowymi lub anionowymi (ubytek lub nadmiar elektronów).
Jeśli temperatura jest odpowiednia, pomiędzy cząsteczką gazową odczynnika i powierzchnią aktywną katalizatora tworzy się rzeczywiste połączenie chemiczne (chemisorpcja), powodowane modyfikacją elektronową w obszarze aktywnym.
Dla cząsteczek gazowych katalizator musi tworzyć, możliwie największą liczbę obszarów aktywnych, a więc mieć dużą powierzchnię właściwą (w m2/g materiału).
Gdy katalizator jest tlenkiem lub mieszaniną tlenków, można wytworzyć powierzchnię rzędu dziesiątków m2/g. Gdy katalizator jest metalowy, problem jest bardziej złożony.
Metalami stosowanymi w tym przypadku są: nikiel, żelazo, platyna i inne metale z tej podgrupy. Otrzymuje się je z reguły w postaci dobrze skrystalizowanej i powierzchnia jaką one reprezentują jest powierzchnią geometryczną ich kryształów (kilka cm2/g). Aby otrzymać dużą powierzchnię metaliczną, należy użyć podłoża, tzn. materiału obojętnego o dużej powierzchni właściwej na którą metal jest naniesiony. Jako podłoże często używany jest tlenek glinowy (Al2O3); ma on dużą powierzchnię rozwiniętą ponieważ jest porowaty. Jego powierzchnia geometryczna jest nieporównywalnie mniejsza od powierzchni wszystkich jego porów [1,3].
Zastosowanie podłoża jest także korzystne dlatego, że zapobiega powstawaniu spieków, jednego z wrogów katalizatorów. Jest to zjawisko związane z temperaturą powodującą gromadzenie i krystalizację drobnych aktywnych cząsteczek, które tracą w ten sposób swoją część powierzchni, a zatem aktywność katalityczną.
Innym sposobem zwalczania spieków jest stosowanie aktywatorów. Ogólnie, są to tlenki bardzo stabilne, które plasując się pomiędzy cząsteczkami aktywnymi separują je. Aktywatory (promotory) powstrzymują w pewnym stopniu proces zatruwania katalizatora. Zatrucie jest spowodowane obecnością w odczynnikach zanieczyszczeń, które osadzają się na obszarach aktywnych utrudniając ich kontakt z cząsteczkami odczynników. Aktywatory służą jako filtr i ekran, nieraz wchodzą w reakcję z zanieczyszczeniami. Aktywatory mogą również odgrywać pewną rolę katalityczną.
Właściwie przeprowadzony proces katalizy zawiera się w doborze, dla danej reakcji, substancji aktywnej, podłoża, promotora lub promotorów, ich proporcji i sposobu przygotowania [1].

3. termoreaktory

Spalanie katalityczne znalazło zastosowanie w latach 60., najpierw z użyciem butanu w domowych urządzeniach grzewczych, a następnie propanu i od niedawna gazu ziemnego (metan) do zastosowań przemysłowych. Zasada działania stosowanych termoreaktorów jest prosta. Paliwo jest wstrzykiwane pod ciśnieniem, od 50 do 160 mb,
do komory rozprężnej poprzez mieszalnik z dyszą Venturi wytwarzający wstępną mieszankę powietrze-gaz przez wprowadzenie powietrza atmosferycznego. Mieszanka ta przechodzi następnie przez złoże katalityczne, podgrzane wstępnie przez grzałkę elektryczną do temperatury inicjującej reakcję. Zewnętrzne powietrze, tłoczone przez wentylator lub swobodnie pobierane z atmosfery, dyfunduje przez katalizator i stanowi powietrze konieczne do spalania (lub tylko jego uzupełnienie).
Energia emitowana przy utlenianiu gazu zapewnia ciągłe grzanie płyty żaroodpornej bez emisji płomienia. Temperatura otrzymywana na powierzchni emisyjnej jest rzędu 600 do 700oC [2,3].

         a) b)

Rys. 3. termoreaktor przemysłowe a) typ IND 325 - Moc 1 - 4 kW , b) typ IND RX 500 Moc 3 - 12 kW [1]

termoreaktor reprezentuje wszystkie zalety spalania katalitycznego. Jednak główną jego zaletą jest jego przydatność jako generatora podczerwieni. Jego wydajność promieniowania jest znaczna. Wydajność ta, w warunkach nominalnych, będąca stosunkiem energii wypromieniowanej z płyty do energii do niej dostarczonej jest rzędu 50%.
Moc powierzchniowa osiąga wartość rzędu 52 kW/m2.
Od dawna jest wiadome, że w porównaniu z suszeniem konwekcyjnym (gorące powietrze), promieniowanie podczerwone jest bardziej interesujące jako czynnik grzewczy np. w przypadku suszenia farb. I to z wielu powodów :

- gęstość mocy emitowanej przez generator podczerwieni jest dużo większa od mocy, jaką może dostarczyć powietrze o tej samej temperaturze.
- gorące powietrze owiewa produkt przewidziany do suszenia. Aby suszenie takie było skuteczne należy doprowadzić podłoże do odpowiedniej temperatury co wymaga znacznej energii, podczas gdy promieniowanie podczerwone penetruje warstwę farby zapewniając suszenie dogłębne. Suszenie takie jest skuteczne i nie pociąga za sobą uszkodzeń powierzchni (bąbelkowanie), ponieważ nie wymaga doprowadzenia podłoża do temperatury koniecznej do odparowania rozpuszczalników. Penetracja podczerwieni w warstwę farby (ciekłej lub proszkowej) jest związana z długościami fal emitowanych przez generator i fal pochłanianych przez produkt do suszenia. Tak więc normalnie działający termoreaktor emituje obszar widma podczerwieni odpowiadający prawie dokładnie widmu pochłanianemu przez produkty węglowodorowe (farby, rozpuszczalniki, papiery, tkaniny, skóry itp.). Energia grzewcza emitowana przez termoreaktor w postaci promieniowania podczerwonego jest więc praktycznie w całości pochłaniana przez jej odbiornik jakim jest naniesiona warstwa farby. Wyjaśnia to zysk na czasie i energii oraz lepszą jakość produktu [1termoreaktor jest stabilny w czasie i nie powoduje powstawania płomienia w przestrzeni, w której znajduje się mieszanka wybuchowa [4,5]. Nie generuje trójkąta ognia, co pozwala na zastosowanie termoreaktorów do obróbki produktów palnych na podłożach tj. papier i tkaniny oraz pokryć takich jak farby, barwniki i lakiery zawierające rozpuszczalniki. Z tego samego powodu, termoreaktory mogą być stosowane do ogrzewania pomieszczeń klasyfikowanych tzn. zawierających substancje palne [3,4,5].

4. Konkluzja

Kataliza i termoreaktor, który ją wykorzystuje, pozwoliły na dokonanie znacznego postępu w dziedzinie spalania. Kataliza może dokonać tego samego co płomień, w wielu dziedzinach bez żadnych niedogodności : bez ryzyka pożaru, bez emisji tlenku węgla ani tlenku azotu [4-7]. Co więcej, czyni ona z termoreaktora idealny generator podczerwieni, która przez swoją zgodność widmową z produktami węglowodorowymi pozwala otrzymać w wielu zastosowaniach (pokrycia powierzchni różnych materiałów : metale, plastiki, tekstylia, papier, skóry, ogrzewanie ogólne itd...) doskonałą jakość w bardzo krótkim czasie co daje znaczące oszczędności energii [1,2,3].
W końcu, dzięki swojej naturze, termoreaktor nie tylko nie generuje trójkąta ognia i z tego powodu może być używany w środowisku wybuchowym, ale co więcej, powoduje naturalne oczyszczanie otoczenia w proporcjach zależnych od intensywności użytkowania, ale pozwalających na rezygnację z dodatkowych i kosztownych pomocniczych środków oczyszczania [4,5].

termoreaktory katalityczne, w porównaniu z innymi generatorami podczerwieni, posiadają pewną liczbę zalet :

- Ich widmo podczerwieni, podczas normalnej pracy, odpowiada prawie dokładnie widmu pochłanianemu przez substancje węglowodorowe takie jak farba, atrament, lakier itd. zawartemu w zakresie od 3 do 10 mikronów. Zapewnia to doskonałą sprawność energetyczną i dobrą jakość otrzymywanych produktów. Generatory elektryczne mają widma emisyjne bardzo zawężone z wierzchołkami usytuowanymi (zależnie od typu generatora) między 1 - 2 mikronami, 2 - 3 mikronami i 3 - 4 mikronami, to znaczy nie pokrywają one tak jak termoreaktory całości widma pochłanianego przez wyżej wspomniane substancje.

Rys. 4. Widmo emisji termoreaktora ( jednostki względne ) w funkcji długości fali w mikronach [1].

Rys. 5. Widmo absorbcji ( % ) farby akrylowej w funkcji długości
fali w mikronach [1].

- Brak płomienia i eliminacja ryzyka pożaru. Doprowadzony do temperatury przewyższającej temperatury samozapłonu rozpuszczalników, termoreaktor nie stwarza trójkąta ognia [4-7]. Zaznaczyć należy, że generatory elektryczne lub wymienniki gorącego powietrza mogą być doprowadzone do temperatur mogących powodować zapłon lub wybuch jeśli przestrzeń robocza zawiera koncentrację rozpuszczalnika zawartą w granicach zapłonu [1].

- Brak tlenku węgla (CO) i tlenku azotu (Nox).

- Jakość zespołu katalitycznego termoreaktorów pozwala na naturalne oczyszczanie ponieważ jest on zdolny do utleniania par rozpuszczalników, które się z nim stykają tak, jak utlenia on czynnik opałowy, który jest do niego dostarczany [4-7]. W zależności od rodzaju przestrzeni roboczej (suszarka, tunel...) oczyszczanie to może być bardzo ważne, szczególnie gdy powietrze ze względu na oszczędność energii poddawane jest recyrkulacji.

W przypadku suszenia farby :
- Promieniowanie, które przeniknie przez warstwę nie będąc pochłoniętym przez farbę (długość fali zbyt krótka) napotka podłoże, które z kolei wyemituje promienie podczerwone z których część będzie mogła być pochłonięta przez farbę.
- We wszystkich przypadkach, powietrze i jego zanieczyszczenia (H2O, CO2, kurz) będą pochłaniać część promieniowania (3 i 6 mikronów dla H2O oraz 4,2 i 15,2 dla CO2) a więc podgrzewać się, czyli w pewnym stopniu suszyć przez konwekcję.

Zjawiska te jednak są stosunkowo mało istotne o ile emitowane promieniowanie IR nie przedstawia zbyt dużych natężeń odpowiadających długościom fal pochłanianych przez powietrze i jego zanieczyszczenia, lub zbyt małych które przenikały by warstwę, i odpowiadają dokładnie tym pochłanianym [1].

Tablica 1. Przykłady zysku na czasie dla suszenia farb gorącym powietrzem lub pod termoreaktorami [1].

Rys. 6. Wnętrze suszarki promiennikowej z termoreaktorami gazowymi

- Z punktu widzenia procesów technologicznych termoreaktory :

- powodują naturalne odparowanie rozpuszczalników lub wody od wnętrza na zewnątrz warstwy farby,
- unikają zamykania się farby na powierzchni,
- zmniejszają ryzyko bąbelkowania,
- maksymalnie redukują czas trwania desolwatacji przed wejściem do tunelu,
- powodują bardzo szybkie topienie farb proszkowych (mniejsze zanieczyszczenie proszkami pieców),
- dają bardzo znaczący zysk na czasie - proces suszenia ulega skróceniu od 3 do 6 razy (tabela przykładów poniżej), a sama suszarka wyposażona w termoreaktory jest gotowa do pracy w ciągu 10 minut,
- umożliwiają bardzo szybki wzrost temperatury farby do żądanego poziomu,
- dają zysk na powierzchni, tunele dużo krótsze,
- gwarantują lepszy wygląd powierzchni farby, lepsze napięcie, większy połysk,
- pozwalają na oszczędność energii powyżej 50%,
- umożliwiają elastyczność regulacji,
- gwarantują absolutne bezpieczeństwo w obecności rozpuszczalników.

Skuteczność i elastyczność zastosowań termoreaktorów są udowodnione różnorodnością działających na świecie instalacji do suszenia i polimeryzacji lakierów płynnych lub proszków, na przedmiotach o najróżniejszych kształtach i wadze. Zdolność termoreaktorów do utleniania bezpłomieniowego rozpuszczalników organicznych, powoduje że proces technologiczny suszenia powłok lakierniczych jest całkowicie bezpieczny, a więc przyjazny środowisku. Podatność do regulacji pracy termoreaktorów pozwala na szeroki wybór ich sterowania: od instalacji prostych do technik zawansowanych np. rozpoznawania przedmiotu i indywidualizacja obróbki. Czyni to z termoreaktorów nowoczesne narzędzie współczesnej inżynierii antykorozyjnej [8].

Literatura

1. Eric Rogermond, Catalyse et termoreacteur Sunkiss, Sunkiss, (1997)
2. Sprawozdanie Nr 3020F, Laboratorium DUFEU-Francja
3. Biuletyn Naukowy AMERICAN GAS ASSOCIATION nr 96, (1963)
4. Protokół I.N.R.S nr 798.62.72
5. Swiadectwo o reakcji TERMOREAKTORA w atmosferze wybuchowej wystawione 1979.02.26 przez Instytut Badawczy Katalizy, Francja
6. Próby zapalenia mieszanin wybuchowych par cieczy palnych przeprowadzone w GIG KD "Barbara" z termoreaktorami IND 325/L.dz. KD-4/55/95/27/T-2584/inż.Bn/Sa z dnia 1995.10.24.
7. Świadectwo GIG KD "Barbara nr 15/98 z dn. 19/06/1998 - Dopuszczenie do stosowania w przestrzeniach zagrożonych wybuchem dla suszarki promiennikowej Sunkiss.
8. W. M. Bielski, Przegląd Techniczny, 8, 16, (1999)