DLACZEGO  KATOFOREZA

Dlaczego warto  zainteresować się malowaniem katoforetycznym,  wypada przeanalizować  w ogóle problem malowania, a więc :.
Przyjęło się na świecie  i stało się już standardem , ze każdy wyrób powinien być w miarę estetyczny , no i  w miarę trwały  na tyle ,by się go opłacało produkować. Można  nadać projektowanemu przedmiotowi taką formę przemysłową, że będzie bez dodatkowych operacji  estetyczny, co wcale nie znaczy że wyrób będzie  trwały zgodnie ze swym przeznaczeniem.

Najczęściej trwałość wyrobu podwyższa się poprzez nałożenie odpowiedniej powłoki.
Dodatkowa powłoka podwyższa koszt wyrobu, składnikami tego kosztu są;  materiał powłoki, robocizna i koszt urządzeń służących do nałożenia powłoki.
Jest wiele rodzajów powłok  dostosowanych do materiału wyrobu.  Zawęzimy  problem do powłok na wyroby metalowe , bo w wielu przypadkach warunki ekonomiczne  dyktują wykonanie wyrobu z metalu ,który  bez dodatkowego zabezpieczenia powierzchni nie będzie trwały zgodnie z jego zastosowaniem i po pewnym czasie nie będzie już miał wyglądu estetycznego.
Można by szczegółowo analizować wszystkie metody nakładania powłok na metale, jest wiele alternatywnych rozwiązań w zależności  od tego ; 
- jaki jest metal wyrobu, -- w jakich warunkach wyrób jest eksploatowany,  -- jaka powinna być jego trwałość  pracy i trwałość wyglądu zewnętrznego.

W uproszczony sposób możemy  pogrupować wyroby:
--  użytkowane w warunkach  bez zagrożeń korozyjnych i  innej agresywnej atmosfery   otoczenia , dotyczy to przedmiotów  wyposażenia domowego czy biurowego ,  przede wszystkim powinny być one estetyczne .
--- użytkowane w warunkach  przemysłowych , bez agresywnego otoczenia, często nie widoczne  czyli walory estetyczne  są tu mniej ważne ale ważna jest możliwie duża trwałość a to może zależeć od trwałości nałożonej powłoki .  takich wyrobów jest  najwięcej  w całej masie wyrobów , są to wszelkie części maszyn, mechanizmów , osłony ,obudowy  części urządzeń gospodarczych pojemniki  , wszelkie okucia itd.  
--  użytkowane w warunkach narażonych na silna korozję i wpływ środków chemicznych,  tj. elementy aparatury przemysłu chemicznego oraz  części samochodowe i inne dla przemysłu motoryzacyjnego, czy rolniczego.

Przyjęto słusznie ,że aparaturę chemiczną opłaca się wykonywać ze stali kwasoodpornych lub z odpowiednich tworzyw sztucznych . Wyroby są dostatecznie estetyczne i bardzo trwałe co wiąże się z ich  wymaganiami wytrzymałościowymi, tak ,że zbudowana np. instalacja nie wymaga przez dłuższy czas naprawy i może być eksploatowana bez przerw w pracy.
W przypadku części samochodów też istnieje podział pod względem wymagań odpornościowych.
Wykonanie elementów samochodu ze stali kwasoodpornych narażonych na zniszczenie mechaniczne , czy uszkodzenia wypadkowe, nie byłoby opłacalne dla producentów , w aspekcie wprowadzania na rynek stale nowych modeli i unowocześnień .
Na wybór metody nakładania powłoki ma duży wpływ kształt wyrobu. 
Nie ma uniwersalnych technologii  nakładania powłok dla rożnych kształtów i  różnych wymagań odporności powłoki .
Pomijając w niniejszej analizie powłoki metaliczne  np. cynkowanie czy chromowanie, najbardziej popularne i stosunkowo tanie są powłoki lakiernicze a mianowicie :
a)  -- malowanie natryskowe  farbami ciekłymi w tym  pneumatyczne , elektostatyczne czy hydrodynamiczne  lub  odpowiednio powiązane te metody.
b)  -- malowanie przez napylanie farbami proszkowymi  lub tworzywami sztucznymi
c) – malowanie  przez polewanie  i malowanie zanurzeniowe 
d) – malowanie elektroforetyczne  w systemie anodowym lub katodowym.

Każda z  ww. metod  wymaga odpowiedniego przygotowania powierzchni metalu oraz posiada tak zalety jak i wady  w zastosowaniu do konkretnych wyrobów i  bardzo ważne , jaki jest charakter produkcji mn.
-- czy jest to  produkcja bardzo zróżnicowana , czy masowa,  części o podobnym kształcie lub wymiarach 
-- jaka jest konfiguracja części , 
-- czy istnieją w nich przestrzenie trudniej dostępne, do nałożenia powłoki,
-- czy są to wyroby zgrzewane z blach ,
-- czy zanurzone w cieczy nie będą pływać , ( na zdjęciu -- nadwozie zanurzane w farbie ukośnie w farbie, w ” FSO – Citroen” – Nysa, --- by nie pływało)
-- czy posiadają  otwory do uchodzenia powietrza przy zanurzeniu i czy ich kształt pozwoli na wylanie się z ich wnętrza cieczy.
Po tym  przeanalizowaniu  możliwy dopiero jest wybór metody malowania.  
Dalsza analiza to analiza kosztów  : -- koszt inwestycji, koszt robocizny, koszt materiału powłoki. Konieczne jest  wyoptymalizowanie powyższych warunków. i dostosowania odpowiedniej  metody nałożenia powłoki. a mianowicie:

Ad a) – Metoda uniwersalna do malowania wyrobów jednostkowych i innych prac renowacyjnych , trwałość powłoki zależy od  przygotowania podłoża i grubości  powłoki , wygląd  zależy od umiejętności wykonawcy , o ile nie zastosuje się drogich robotów malarskich, brak powłoki w miejscach trudniej dostępnych ,  występują bardzo duże straty farby , koszt urządzeń, nie wielki , przy farbach rozpuszczalnikowych odpowiednie zagrożenia obsługi i duże straty ciepła w  silnej wentylacji. 
W przypadku malowania ze wspomaganiem elektrostatycznym, duże ograniczenie    strat farby i więcej  możliwości malowania wielu wyrobów  jednostronnie  ,ponieważ naładowana elektrycznie rozpylona farba obejmuje przedmiot zgodnie z przebiegiem linii sił pola elektrycznego. Koszt urządzeń nieco wyższy. 
Stosuje się najczęściej jako malowanie warstw nawierzchniowych w liniach  produkcyjnych np nadwozi.
Metoda zapewnia efekt dekoracyjny, odporność korozyjna zależy głównie od warstw podkładowych.

Ad b) – Najbardziej obecnie popularne malowanie farbami proszkowymi, napylanymi elektrostatycznie . W tym tzw. samoładowaniem się trybostatycznym proszku. Nakłada się powłoki bardzo grube  70 – 80 mikrometrów, by uzyskać efekt dekoracyjny , metoda  daje wysoką odporność korozyjną ale tylko na podkładzie farby nałożonej elektroforetycznie  , ponieważ  sama powłoka proszkowa nie będzie miała wymaganej przyczepności  do powierzchni np. tylko odtłuszczonej, lub nawet tylko pofosforanowanej. no i nie będzie powłoki proszku w miejscach trudniej dostępnych. poważną wadą jest duża masa materiału powłoki a co za tym spora emisja spalin z  suszarki i duże zużycie energii do polimeryzacji i suszenia powłoki, oraz pomimo stosowania systemów odzysku proszku, na filtrach wentylacji, w otoczeniu urządzeń jest zapylenie proszkiem. Wygodna zmiana koloru napylanego proszku.
Metoda nadaje się do szerokiego zakresu wyrobów ,  gospodarczych  , , biurowych  maszynowych i motoryzacyjnych  ale tam gdzie miejscowy brak pokrycia nie będzie wadą .
W  przypadku mało przyczepnej powierzchni podkładowej warstwa proszkowa odpada całymi płatami , ponieważ korozja penetruje metal pod warstwą proszku. Powłoka tej grubości nie jest elastyczna , co widać na malowanych sprężynach.  Z kolei proszek kryje wiele nierówności powierzchni.

Ad c)  -- Malowanie polewaniem  musi być tak zbudowanie by strumienie farby polewały wszystkie powierzchnie , co jest utrudnione przy zróżnicowanych kształtach, i miejscach trudniej dostępnych , jakość powłoki jak przy malowaniu zanurzeniowym  o podobnym chemicznie składzie farby.  Metoda ta zanika w przemyśle. 
Powłoka brzydka  z zaciekami  i smugami, o ile nie zastosuje się ocieku elektrostatycznego to pozostają wiszące krople farby. Możliwe stosowanie do nie dekoracyjnych konstrukcji. Poprawę powłoki uzyskiwano poprzez  ok 10 –cio minutowe utrzymywanie w strefie stabilizacji, w  atmosferze nawilżenia parami składnika lotnego, tak przy farbach rozpuszczalnikowych jak i przy wodorozcieńczalnych. 
Urządzenia raczej rozbudowane , duża objętość farby w malowaniu zanurzeniowym, wymagane dokładne utrzymanie temperatury kąpieli farby bo od tego zależy wygląd powłoki i jej grubość , farba musi być ciągle mieszana. i silnie wentylowana.

Ad  d ) --  Malowanie elektroforetyczne,-- temat ten był opisywany w kilku poprzednich artykułach ale warto porównać właściwości tej metody z innymi metodami by odpowiedzieć na pytanie zawarte w tytule  niniejszego artykułu.
Krótko należy przypomnieć ,że polega ona na malowaniu zanurzeniowym z jednoczesnym przepływem prądu elektrycznego poprzez kąpiel farby wodorozcieńczalnej i przedmiot, przy czym naładowane elektrycznie cząstki farby  poruszając się po liniach pola elektrycznego pokrywają powierzchnię całego przedmiotu , łącznie z miejscami nie dostępnymi do pomalowania wszystkimi innymi metodami .
Grubość elektroosadzonej powłoki jest proporcjonalna do natężenia pola elektrycznego w określonym miejscu  co  jest mn. regulowane  wielkością stabilizowanego napięcia prądu stałego.  Czyli głównym regulatorem grubości powłoki jest wielkość napięcia prądu oraz czas elektroosadzania,  oczywiście w zakresie przewidzianym dla określonej farby i zawartości w niej części stałych.
Przy malowaniu elektroforetycznym – anodowym  (ANAFOREZA) stosuje się napięcia rzędu  ok. 150 –200 V , wymagane do naładowania cząstek stałych farby w roztworze alkalicznym pH ok.  8,5 – 9, to niezbyt  wysokie napięcie wpływa na to ,że  elektroosadzona farba „wcześniej” tworzy warstwę izolacyjną  i malowanie ustaje a co za tym  uzyskuje się określoną grubość powłoki  , 20 - 25 mikrometrów.
I tu pierwsze porównanie z malowaniem katoforetycznym ( KATOFOREZA)-- roztwór kwaśny pH  5,8 – 6,5  
Stosuje się tu wyższe napięcia prądu  230 – 270 V  , ponieważ  izolacja osadzonej warstwy jest „późniejsza” ,powłoka jest grubsza ,   zależność ta byłaby wprost proporcjonalna  dla jednakowej przewodności kąpieli farby , ponieważ przewodności są różne , w anaforezie  1200  - 1600  uS / cm , w katoforezie , 1400 --2000 uS /cm, nie ma tu proporcjonalnej zależności.
Praktycznie w urządzeniach tak dla anaforezy jak i katoforezy  ekonomicznie uzasadniony jest czas malowania do ok. 3 min. Po tym czasie grubość powłoki  niewiele się zwiększa , i jak widać z  przykładowych wykresów  krzywa zbliża się asymptotycznie do linii poziomej .

Dla uzyskania grubszych powłok katoforetycznych stosuje się farby zmodyfikowane tzw. średnio lub grubopowłokowe, o innych właściwościach elektrochemicznych, pozwalających na szybsze osadzanie i w czasie niewiele dłuższym niż 3 min.
Podobnie jest z odpornością korozyjną : alkaliczna anaforeza zapewnia do 250 godz. testu solnego  przy przygotowaniu powierzchni fosforanowaniem cynkowym, kwaśna katoforeza  już przy fosforanowaniu żelazawym, zapewni  ok. 500 godz.  ,przy cynkowym  700 – 800 godz.  a jeśli po tym fosforanowaniu będzie pasywacja, to ok. 1000 godz. takie wymagania są standardem dla  malowania nadwozi samochodów, zaś dla części zamiennych dla motoryzacji - 500 godz.  Pozwala to na stosowanie do malowania części, zamiast fosforanowania cynkowego , stosować fosforanowanie żelazawe   , bardzo wygodne bo,  minimalizujące ścieki.

Katoforeza w porównaniu do anaforezy charakteryzuje się większą penetracją farby we włoskowate szczeliny wyrobu.

Np przy okazji podejmowania decyzji zastosowania katoforezy w „FELGEX” – Dobre Miasto,  by się przekonać jak daleko sięga penetracja farby, pomiędzy zgrzane punktowo blachy– części nadwozia Fiata 126,  --( część ta była malowana w katoforezie w F-mie  „SOW  POL” – w Wielkich Drogach koło Skawiny)  W „FELGEX” przewiercono zgrzane miejsce ,dokładnie o średnicy zgrzeiny  by rozłączyć zgrzane blachy . Okazało się ,że penetracja farby jakby dyfundowała w zgrzeinę i nie było śladu braku powłoki.

Co zadecydowało o budowie katoforezy w „Felgex”. do malowania zgrzewanych obręczy kół pojazdów.

Nie znaleziono w tej szczelinie śladów soli   i korozji  pomimo ,że blacha ta pomalowana była kilka miesięcy wcześniej.  Podobne blachy zgrzewane i malowane anaforetycznie ( jeszcze przed przebudową anaforezy na katoforezę w  FSM- Tychy) wykazywały przy zgrzeinach spuchnięcia  silnie skorodowanych ognisk solnych , co widoczne było już w kilkuletnich nadwoziach Fiata 126 .

Przyczyną ww. było to , że prawie niemożliwe do wypłukania włoskowate szczeliny zatrzymywały nieco kwaśnego środka fosforanującego,  na to przychodziła  alkaliczna anaforeza  penetrując w szczeliny i spotykając pozostałość kwaśną  -              i w efekcie  powstawała sól.  Po przebudowaniu na katoforezę  korozja przy zgrzeinach znikła.

Takiej sytuacji nie ma w malowaniu katoforetycznym  ponieważ  i  roztwór fosforanujący i farba są kwaśne.

Dość istotnym jest fakt, że w malowaniu anaforetycznym nadwozi  Fiatów  w FSO , by pomalować wnętrze progów, czyli zwiększyć tam natężenie pola elektrycznego i uzyskać znaczącą grubość powłoki, konieczne było wkładanie do nich i nawet do słupków nadwozi tzw. elektrod pomocniczych ( tj. katod drutowych w perforowanych izolatorach) – połączonych kablami z biegunem minus ,( tak jak elektrody w kasetach elektrodializy.) co wiązało się z dodatkowymi stanowiskami, ręczną obsługą  i plątaniną kabli w zanurzonym nadwoziu.

W katoforezie,  jak wykazała praktyka, elektrody pomocnicze nie są potrzebne.

Ponieważ roztwory katoforezy są kwaśne tzn: -- farba , ultrafiltrat   wysączony z farby oraz anolit w obiegu elektrodializy, instalacja rurowa , armatura , pompy i inny osprzęt muszą być wykonane z materiałów kwasoodpornych .

Najbezpieczniej jest wykonać obiegi krążenia farby w wannie i krążenia w  ultrafiltracji ze stali kwasoodpornych ,inne obiegi np. płukania mogą być wykonane w sposób mieszany, tj.  z PCV lub PP,  w przeciwieństwie do anaforezy , gdzie można stosować na instalację stal węglową , za wyjątkiem tych fragmentów instalacji, gdzie może znaleźć się agresywna woda demineralizowana.

Urządzenie katoforetyczne może być droższe tylko ok. 30 % od anaforetycznego, ponieważ  najdroższe zespoły to: -- zasilacz prądu stałego;  ultrafiltr i przemywane uszczelnienia pomp farby  a te zespoły  są  wykonane z takich samych materiałów w zastosowaniu do anaforezy czy katoforezy.

Za to urządzenie katoforetyczne . wykonane z e stali kwasoodpornej jest praktycznie nie zniszczalne  za wyjątkiem  elementów ruchowych i jego koszt zainstalowania rozkłada się na co najmniej -3 krotnie dłuższy okres w porównaniu do anaforetycznego

Ponadto  powłoka katoforetyczna o grubości np 16 mikrometrów  wykazuje większą szczelność i przyczepność do fosforanowanego podłoża  niż powłoka anaforetyczna o grubości  25 mikrometrów , czyli masa elektroosadzonej farby jest mniejsza ,powoduje to  mniej emisji spalin w suszeniu i mniejszy koszt zużycia farby  , Ponieważ czasy i temperatury suszenia są porównywalne  jak dla farb wodorozcieńczalnych, energia potrzebna do wysuszenia powłoki jest podobna.

Jeśli  wymagania antykorozyjne wyrobu znajdują się w zakresie możliwości zastosowania anaforezy to na pewno dla urządzeń dużych taniej zbudować je można jako anafortyczne   a dla małych jako katoforetyczne  z zastosowaniem instalacji ze stali kwasoodpornej bądź z PCV  i polipropylenu.

Przykładem było przed kilkunastu laty wybudowanie 2 bardzo małych katoforez: z  PP i z PCV , do malowania dekoracyjnego okuć metalowych w „Remor” –Recz          ( na zdjęciu -- fragment urządzenia w „Remor” )

oraz podobnego w „Galve” –Warszawa.  (ww. urządzenia w ramach współpracy ,wykonane zostały częściowo przez inwestorów.)

Obecnie  przygotowywana jest do uruchomienia linia z fosforanowaniem żelazawym i małym urządzeniem katoforetycznym, do malowania części maszyn rolniczych i ciągników, czarną farbą podkładową  „POLIFARB” –Cieszyn, jako podłoże pod powłokę proszku, w „SUW” – Partynia .  Urządzenie zostało wykonane częściowo przez inwestora i częściowo w „Promal” -Wieuszów (na zdjęciu  -- fragment urządzenia – wanna i obieg farby)

Jeśli istnieje już urządzenie anaforetyczne, można je zawsze przebudować na katoforetyczne, przy stosunkowo niewielkich kosztach, szczególnie jeśli użytkownik deklaruje  współudział .

W  jednym z małych urządzeń w katoforezie w Słupsku, ze względów finansowych , obieg farby „tymczasowo” wykonano ze stali węglowej , zamiast kwasoodpornej, ten„tymczasowy” obieg „ pracuje już intensywnie kilka lat.

( na zdjęciu - obieg farby –  katoforeza -- Słupsk )

Z powyższych rozważań  kiedy i dlaczego można stosować anaforezę bądź katoforezę wynika: 
-- Do każdego problemu malowania konieczne jest indywidualne podejście, gdyż nie ma uniwersalnego rozwiązania i wskazane  jest nieco doświadczenia w doborze zespołów  i w miarę dobre rozeznanie ich kosztów , by zbudować możliwie tanio urządzenie  ;
--urządzenie musi być dostosowane do wymaganego programu produkcji, , niezawodne w działaniu, , ale nie prymitywnie rozwiązane, przy czym kluczowe , wymagające interwencji obsługi parametry ,odpowiednio muszą być sygnalizowane.
--  jeśli to anaforeza to urządzenie powinno być zaprojektowane  na wszelki wypadek ,tak by była możliwość jego przebudowy na katoforezę.
-- Urządzenie musi być możliwie proste i bezpieczne w obsłudze   
-- Prawie w każdych warunkach  lokalowych ( w rozsądnych granicach), do malowania każdych wyrobów można wybudować malarnię elektroforetyczną o ile nie ma zdecydowanych ograniczeń środowiskowych.  Jest to tylko kwestia kosztów i bardzo pożądanego zaangażowania się inwestora,  szczególnie jeśli nie dysponuje on   „ nadmiarem środków finansowych” .

W zagadnieniach malowania elektroforetycznego, nie powiedziano jeszcze „ostatniego słowa”. 
Rozważano  przed kilkunastu laty wdrożyć metodę malowania :

AUTOFOREZĘ ( bezprądowy proces malowania zanurzeniowego w farbie spełniającej warunki fosforanowania i jednocześnie w tej samej kąpieli nakładania 40 mikrometrowej powłoki  oraz utrwalania w kąpieli chromu i suszenia w temp 180  St.C )

Zrealizowano wówczas kilka malarni w USA Japonii i jedną w Niemczech , był  producent farby  - F-ma COLLARDIN w Kolonii.  Wdrożenie w FSM – Tychy utknęło na etapie projektu wstępnego i utknęło też w świecie.  A to wszystko dla tego ,że powłoka autoforezy wymagała utrwalania w trującej kąpieli chromu oraz spopularyzowano katoforezę,  Przez jakiś czas  ze względu na tańsze rozwiązania rozwijano anaforezę obniżając temperaturę suszenia farby ze 170  st C do nawet 125 sT. C. Np F-ma „Stolllack” – Austria , teraz po kilku zmianach właścicieli na  „Herberts” nastepnie na „DuPont „  mniej „nagłaśniane” są farby anaforetyczne.

W farbach katoforetycznych, dąży się do podwyższenia dopuszczalnej temperatury pracy  - mniejsze konieczne chłodzenie  ( w tym szerszy zakres temperatur pracy) .  Obniżenia zawartości   i w ogóle  eliminowania i tak minimalnej ilości rozpuszczalnika ( poniżej 1 % ) . oraz  zmniejszenie wrażliwości farby na sedymentację w przypadku awaryjnego braku mieszania i związanych z tym złych skutków stabilności kąpieli roboczej.  To zagadnienie czeka na  opisanie i spopularyzowanie w Polsce przez Producentów farb  jak np.  „POLIFARB” – Cieszyn , i „BASF” -- Polska

Wraz z doświadczeniami , dąży się do minimalizacji i w ogóle, eliminacji ścieków popłucznych  po malowaniu  i takie rozwiązanie o ile doświadczenie wykaże będzie zastosowane w obecnie uruchamianej  małej katoforezie .

Ponadto w projektowanej i budowanej obecnie dużej katoforezie , w Brodnicy, przewidziane są tyko okresowe zrzuty  anolitu.( odbieranie nadmiaru kwaśnych jonów z farby).  Straty farby na skutek płukania powinny być bliskie zeru.

Zagadnienie zastosowania malowania  katoforetycznego  i związane z tym działania projektowe , wykonawcze ,i eksploatacyjne  to temat bardzo szeroki  i w miarę wdrażania rozwiązań  i zdobywania dalszych doświadczeń będzie cyklicznie omawiany, być może spotka się z nadal z zainteresowaniem w Polsce jak i na rynkach innych

inż. Jerzy  Smaczyński

tel./fax  42 656 74 55, 602 036 049     Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.