Kataforetické lakování je vysoce hospodárný a ekologický způsob lakování patřící mezi nejmodernější technologie povrchových úprav kovových výrobků. Používá se pro ochranu především ocelových, dále pak i pozinkovaných a hliníkových součástek, a to buď k základování nebo -v poslední době stále častěji k tzv. jednovrstvému lakování jako jediné a tím pádem i finální povrchové úpravě. U řady výrobků lze dosáhnout podstatného zvýšení užitných vlastností a životnosti a tím i konkurenceschopnosti a prodejnosti, v řadě aplikací navíc kataforéza díky vlastnostem procesu i povlaku, pro řadu jiných technologií nedosažitelných, nemá v současné době srovnatelnou konkurenci.
Princip
Kataforetické lakování (kataforéza, KTL) je jedním ze dvou způsobů elektroforetického lakování (elektroforéza, ETL), druhým je lakování anaforetické (anaforéza, ATL). Při kataforéze se používají kationické ve vodě rozpustné nátěrové hmoty na bázi epoxidů popř. akrylátů s velmi nízkým obsahem organických rozpouštědel (okolo 2 %) obsahující částice laku ve formě polymerních kationtů. Při lakování je výrobek ponořen do lakovací lázně a zapojen jako katoda. Vložením stejnosměrného napětí mezi výrobek a protielektrodu (anodu) se vytvoří elektrické pole, vlivem něhož putují polykationty ke katodě, kde reakcí s hydroxylovými ionty vznikajícími na ní rozkladem vody ztrácejí rozpustnost a vylučují se na povrchu dílů. S narůstající tloušťkou povlaku roste odpor vrstvy a klesá rychlost vylučování, které pak přednostně probíhá na místech s ještě malou tloušťkou, tedy místech stíněných, v dutinách atp.. Tím dochází k tvorbě velmi rovnoměrného povlaku na celém povrchu včetně těžko přístupných míst, hran či rohů. Po dosažení určité tloušťky povlaku na celém povrchu se další vylučování zastaví. Tloušťka závisí především na velikosti použitého napětí, běžně se pohybuje mezi 15 a 30 µm, při extrémních požadavcích až okolo 45 µm (tzv. silnovrstvá kataforéza). Elektricky vyloučená vrstva pevně lne k podkladu, přebytečný lak se opláchne. Vyloučený povlak je nutno vypálit při teplotách okolo 160 až 180°C, kdy dochází k polymeraci a povlak získává konečné vlastnosti.
Oblasti použití
Největší zásluhu na rozvoji KTL má automobilový průmysl, hlavně pak stále se zvyšující technické a ekonomické požadavky na lakování karosérií a odnímatelných dílů. Průmyslově byla kataforéza v automobilovém průmyslu poprvé nasazena ve 2. polovině 70. let. Dnes se však již vzhledem k vysoké kvalitě a užitným vlastnostem povlaku, ekologickým a v neposlední řadě i ekonomickým aspektům kataforéza stále více používá a stává standardem i v řadě dalších oblastí. Jako hlavní oblasti použití lze uvést:
•automobily (karosérie, odnímatelné díly);
•motocykly, bicykly;
•domácí spotřebiče (pračky, ledničky);
•elektrické přístroje;
•radiátory;
•klimatizační zařízení, ventilátory;
•traktory, zemědělské a stavební stroje;
•kovový nábytek (skladovací police);
•stavební elementy.
Výhody
Mezi hlavními přednostmi lze jmenovat:
•minimální zatížení životního prostředí díky velmi nízkému obsahu rozpouštědel, minimálnímu množství emisí, pevných odpadů a odpadních vod;
•vysoká korozní odolnost povlaku (i přes 1000 hod v solné mlze) při relativně malé tloušťce;
•rovnoměrná tloušťka povlaku na celém povrchu včetně těžko přístupných míst, hran a rohů i u komplikovaných dílů, možnost řízení tloušťky;
•vysoká přilnavost a mechanická odolnost povlaku;
•vysoká hospodárnost – minimální ztráty barvy díky prakticky materiálově uzavřenému okruhu (prakticky 100% výtěžnost barvy);
•snadná automatizace a kontrola procesu, nízká pracnost a nízké nároky na obslužný personál;
•žádná tvorba kapek či „závojů“;
•možnost vrchního lakování různými typy laků;
•bezpečnost - nejsou nutná opatření proti požáru či výbuchu či zvláštní opatření pro bezpečnost práce;
•nízké zatížení pracovního prostředí.
Oproti těmto výhodám stojí v podstatě pouze dvě nevýhody, a to poměrně vysoká investiční náročnost zařízení a nesnadnost změny odstínu.
Kataforetické linky
Kataforetické linky lze z hlediska koncepce rozdělit na dva základní typy: taktové s dopravními manipulátory, u nichž je zboží v lince přepravováno v určitém taktu, a průběžné s řetězovým dopravníkem, kterými zboží prochází kontinuálně, možné jsou však i kombinace. Volba zařízení závisí na řadě faktorů, z nichž základními jsou charakter zboží, požadovaný výkon linky, jednoúčelovost nebo naopak variabilnost linky a kvalita (tloušťka) nátěru. Taktová zařízení jsou vhodná pro malé výkony, široké často se měnící spektrum dílů nejrůznějších tvarových, velikostních a materiálových forem (zakázkové lakovny) a díly velkých rozměrů. Vyznačují se vysokou flexibilitou, každé vsázce lze přiřadit různé parametry lakování. Průběžná zařízení jsou vhodná pro velké výkony a velké série stejných nebo podobných dílů, nehodí se pro velkorozměrové díly. Jsou charakteristická vysokou produktivitou a nižšími náklady na řízení.
Aquacomp Hard nabízí kompletní paletu zařízení pro kataforézu. Dodávky zařízení zajišťuje na klíč včetně zařízení pro předúpravu, vypalování laku, čištění odpadních vod atd., a to od návrhu vhodné technologie a koncepce zařízení, vypracování projektu a podpory při jednáních s příslušnými orgány přes konstrukci, výrobu a montáž až po uvedení do provozu. Specialisté firmy Aquacomp Hard posoudí individuálně každý případ a pro každého zákazníka navrhnou individuální řešení, které odpovídá jeho požadavkům a potřebám. Navržená řešení vycházejí z poznatků vlastního vývoje, ze zkušeností z realizovaných případů a také z úzké spolupráce s dodavateli elektroforézních nátěrových hmot a chemikálií pro předúpravu. Při návrhu je vždy kladen důraz na hospodárnost a provozní spolehlivost, snadnou údržbu a dlouhou životnost zařízení a samozřejmě také na minimalizaci zatížení životního i pracovního prostředí, které jsou zaručeny mj. kvalitním technickým řešením a výrobním zpracováním zařízení a používáním pouze spolehlivých ověřených komponent.
Kompletní kataforetickou linku lze rozdělit v podstatě na tyto základní uzly:
•zařízení pro předúpravu;
•vlastní kataforézní uzel (obr. 3);
•vypalovací pec a úsek chlazení;
•zařízení na čištění vzduchu;
•dopravní a manipulační zařízení;
•řídící systém;
•zařízení pro přípravu vody;
•čistírna odpadních vod.
Předúprava
Podmínkou pro dosažení vysoké kvality celého povlakového systému je kvalitní předúprava povrchu, která musí zabezpečit očištění povrchu od mastnot, mechanických nečistot a korozních zplodin a vytvoření konverzní (fosfátové) vrstvy, která zajišťuje jednak vysokou přilnavost kataforetického laku a jednak zvýšení korozní odolnosti povlakového systému. Při moderní chemické předúpravě jsou používány pouze přípravky na vodné bázi. Volba technologie předúprav závisí především na stavu povrchu dílů a požadované korozní odolnosti. Při vyšších požadavcích (např. automobilový průmysl) je používáno trikationické (Zn, Ni, Mn) jemnozrnné fosfátování, často s následnou (bezchromovou) pasivací. Standardní proces předúpravy pak zahrnuje chemické odmaštění, v případě potřeby moření, aktivaci, fosfátování, event. pasivaci a samozřejmě příslušné oplachové operace. Při nižších nárocích (např. radiátory) je často aplikováno amorfní železnaté fosfátování, a to většinou jako sdružená operace se současným odmaštěním, které je rovněž možno doplnit pasivací. Z důvodu minimalizace přenosu iontů z lázní předúprav do kataforézní lázně je velmi důležitý kvalitní finální oplach, který musí být proveden demineralizovanou vodou.
U taktových zařízení je až na výjimky (např. jedno z odmaštění postřikem) předúprava realizována ponorem, u průběžných zařízení pak většinou postřikem a v některých případech (např. lakování karosérií) kombinací postřiku a ponoru. Aquacomp Hard má ve své nabídce veškeré typy zařízení pro předúpravu. U svých zařízení se snaží dosáhnout co nejvyšší úspory nákladů realizací řešení snižujících spotřebu vody (úsporný oplachový systém), energií (izolace vytápěných van a tunelu) a chemických přípravků. Snížení spotřeby chemikálií je dosahováno pomocí opatření snižujících ztráty lázní a prodlužujících jejich životnost, jakými jsou např. recyklace (doplňování odparu a výnosu z následných oplachů) aregenerace (odlučování oleje z odmašťovacích lázní, filtrace, separace kalů z fosfátovací lázně) lázní nebo automatické dávkování chemických přípravků.
Kataforézní uzel
Kataforézní uzel sestává z těchto hlavních částí:
•kataforézní vana;
•cirkulace, míchání a filtrace barvy;
•anolytový okruh;
•chlazení barvy;
•zdroj a přívod stejnosměrného proudu;
•Obr. 8 – Průtočná automatická ČOV pro odpadní vody převážně z předúprav a KTL o výkonu 135 m3/h v kolínské automobilce
•dávkování komponent barvy;
•rezervní nádrž na barvu;
•ultrafiltrace;
•oplachový systém;
•okruh ucpávkové kapaliny.
Kataforézní vana
Musí být koncipována s přepadovým oddílem, vybavena mj. míchacím systémem (injektory), systémem pro kontaktování závěsů a odsáváním a napojena na systémy míchání, filtrace a chlazení barvy, ultrafiltraci atd. (obr. 4). Vnitřní povrch musí být opatřen speciální povrchovou úpravou. Velikost vany se řídí geometrií dílů, požadovaným výkonem a u průběžných linek i rychlostí řetězového dopravníku, časem nanášení a velikostí zkosení na vjezdu a výjezdu. U průběžných linek je vana z bezpečnostně-technických důvodů umístěna v uzavřené odsávané kabině.
Míchání a filtrace barvy
Pro zabránění usazování pevných částic je nutné nepřetržité míchání barvy. Realizuje se pomocí cirkulačních čerpadel, která čerpají lázeň z přepadu KTL vany do systému míchacích trysek ve vaně. Míchání rovněž zajišťuje rovnoměrné proudění lázně okolo zboží. Kvůli odstraňování do lázně vnášených mechanických nečistot je nutná kontinuální filtrace.
Anolytový okruh
Při vylučování laku se uvolňují organické kyseliny, které je kvůli udržování hodnoty pH a koncentrační rovnováhy nutno z lázně odstraňovat. To se děje dialýzou přes tzv. anodové (dialýzové) boxy (cely) – obr. 5. Uvnitř anodového boxu se nachází anoda oddělená od lakovací lázně semipermeabilní aniontovou membránou. Přes boxy cirkuluje anolyt - kapalina o určité koncentraci a tedy i vodivosti, který je čerpán ze zásobní nádrže vybavené měřením vodivosti. Při nárůstu vodivosti se do nádrže dopustí demivoda a přebytečný anolyt odtéká do odpadních vod. Anodové boxy tak plní dvojí funkci, jednak tvoří protipól ke zboží (anodu) a jednak přes membránu a anolytový okruh odvádějí přebytečné kyseliny. Boxy mohou být ploché s deskovými anodami nebo tubulární s trubkovými anodami. V poslední době se pro své určité výhody (rovnoměrnější průtok kapaliny, nižší elektrický odpor, menší rozměry, snadná manipulace, delší životnost) stále více uplatňují boxy tubulární.
Chlazení barvy
Pro proces lakování je důležité udržování konstantní teploty lázně. Protože se vlivem cirkulace a průchodu elektrického proudu vytváří teplo, je nutné lázeň chladit. K chlazení se používá deskový tepelný výměník napojený na chladicí jednotku, regulace teploty musí být možná ve velmi úzkém rozmezí (±1°C).
Zdroj stejnosměrného proudu
Musí být řízen programem a dostatečně dimenzován jak pro dosažení potřebného napětí a tím i tloušťky, tak i potřebné proudové hustoty. Kladný pól je připojen k anodám, záporný k systému kontaktování závěsů.
Dávkování komponent
Provádí se membránovými čerpadly, u „klasického“ 2komponentního laku se dávkuje pojivo a pigmentová pasta.
Rezervní nádrž na barvu
Pro případ provádění údržbových nebo čistících prací na kataforézní vaně musí být k dispozici rezervní nádrž na barvu. Rezervní nádrž musí být vybavena odpovídajícím míchacím systémem a mít možnost napojení na všechny potřebné systémy, především pak chlazení.
Ultrafiltrace
Slouží k získávání potřebného množství oplachové kapaliny pro oplach přebytečného laku a dále pak umožňuje případné korekce složení lázně cíleným odpouštěním permeátu (obr. 6). Ultrafiltrace (UF) je tlakový membránový separační proces využívající mikroporézní membrány k oddělení pevných a vysokomolekulárních látek, látky nízkomolekulární přes membránu procházejí. Na UF je trvale čerpán přes předfiltr určitý podíl lázně z přepadu KTL vany. Ultrafiltrací dojde k rozdělení tohoto proudu na tzv. retentát obsahující částice laku, který je veden zpět do lázně, a tzv. permeát obsahující pouze nízkomolekulární látky (voda, organická rozpouštědla atp.), který je jímán v zásobní nádrži a čerpadlem dopravován do postřikového rámu pro finální oplach.
Oplachový systém
Účelem oplachu je opláchnutí přebytečného laku. Jako oplachové médium slouží permeát z ultrafiltrace (ultrafiltrát), ve speciálních případech je po tomto oplachu zařazen ještě oplach demivodou. U taktových zařízení jsou běžné oplachy ponorové, u průběžných většinou postřikové, ale neobvyklé nejsou ani kombinace postřik – ponor. Všechny oplachové vany musí být vybaveny mícháním a filtrací. Oplachy ultrafiltrátem jsou řešeny jako protiproudá kaskáda, před vlastními oplachy se provádí předoplach postřikem ze samostatného rámu hned po vynoření zboží z KTL vany a na závěr oplach čistým permeátem opět ze samostatného rámu. Oplachová kapalina je spolu s opláchnutým lakem vedena zpět do KTL vany. Oplachový systém tak spolu s ultrafiltrací vytváří v podstatě materiálově uzavřený okruh a zajišťuje prakticky 100% recyklaci laku.
Okruh ucpávkové kapaliny
Těsnění ucpávek cirkulačních čerpadel barvy, oplachů a ultrafiltrace se provádí ucpávkovou kapalinou. Jako ucpávková kapalina se používá permeát z UF.
Vypalování, chlazení
Lak je nutno, aby došlo k polymeraci, vypálit při teplotách okolo 160 až 180°C. Aquacomp Hard dodává různé typy vypalovacích pecí, a to od komorových až po průjezdní s tzv. A-uzávěry, které jsou řešeny vždy na míru mj. s ohledem na místní podmínky a místně dostupná topná média. Ohřev vzduchu může být realizován např. plynem, elektricky nebo olejem. Pro ochlazení dílů před svěšováním je za pecí zařazena ochlazovací zóna.
Čištění vzduchu
Emise při procesu kataforetického lakování vznikají prakticky jen při vypalování laku, kdy jako u většiny vypalovacích laků se tvoří štěpné produkty, a v nepatrné míře ještě vypařováním organických látek z lakovací lázně. Splnění předpisů většinou vyžaduje čištění vzduchu odsávaného z pece, se kterým je pak současně čištěn i vzduch odsávaný od KTL vany nebo z kabiny. Čištění se provádí termickým spalováním. Při spalování vznikající tepelnou energii je účelné rekuperovat a použít pro vytápění pece anebo lázní předúprav. Dopravní a manipulační technika Pro taktová zařízení má Aquacomp Hard zkonstruovány vlastní programově řízené podvěsné a portálové manipulátory pro přenos závěsů se zbožím v lince a veškeré další potřebné dopravní a manipulační prostředky, jako např. navěšovací a svěšovací stojany a převážecí vozíky. U průběžných zařízení závěsy se zbožím projíždějí linkou zavěšeny na řetězovém dopravníku, jehož rychlost je v určitém rozmezí nastavitelná.
Řízení
Kataforetické linky Aquacomp Hard dodává jako plně automatické řízené řídícím systémem. Řídící program umožňuje zadávání veškerých potřebných parametrů a zobrazování údajů a poruchových stavů (obr. 7). V případě požadavku je dodávána i vizualizace technologického procesu buď na monitoru, nebo na dotykové obrazovce, která zajišťuje zobrazování činnosti linky, evidenci, archivaci, výpis a tisk parametrů a poruchových stavů. Jak pro řízení tak pro vizualizaci má Aquacomp Hard vyvinut vlastní software.
Příprava demineralizované vody
Technologie kataforetického lakování vyžaduje použití demineralizované vody o vodivosti do max. ca 10 µS/cm. Aquacomp Hard dodává pro její přípravu zařízení jak na bázi iontoměničů, tak na bázi reverzní osmózy.
Čištění odpadních vod
Drtivá většina odpadních vod vzniká při předúpravách, jedná se hlavně o oplachové vody, dále pak o vyčerpané lázně (odmašťovací, aktivační atp.). Při vlastní kataforéze vzniká jen minimální množství odpadních vod, jde hlavně o přebytečný anolyt a dále o vody z údržby nebo čištění lázně či zařízení, např. permeát při korekcích barvy nebo vody z čištění ultrafiltrace a filtrů. V závislosti na objemu odpadních vod dodává Aquacomp Hard pro jejich čištění odstavné nebo průtočné automatické čistírny (obr. 8). Automatické řízení a kontrola technologického procesu eliminuje vliv lidského faktoru, zajistí splnění nastavených parametrů, dodržení reakčních a zdržných dob, zabrání předávkování chemikálií a v případě poruchy či nesplnění některého parametru zastaví provoz. I čistírny mohou být vybaveny vizualizací technologického procesu. Na veškeré dodané zařízení Aquacomp Hard zajišťuje jak záruční, tak pozáruční servis. O kompetencích firmy Aquacomp Hard svědčí řada realizovaných zakázek pro renomované tuzemské a zahraniční zákazníky.
