Контроль качества поверхности, оптимизация свойств покрытий

Оценка качества поверхности и точности ее обработки напрямую зависит от качества ее покрытия. Один из важных производственных этапов — оптимизация процесса нанесения покрытия. Он включает в себя контроль реологических и поверхностных свойств наносимого материала, а также свойств поверхности, в частности, ее свободную энергию. Ниже будут рассмотрены некоторые аспекты изучения поверхностной химии покрытий, используемых для окрашивания пластизольных материалов, из которых изготавливается большинство деталей интерьера автомобилей: панель управления, облицовка дверей, подлокотник и т.п. Пластизоли без поверхностной обработки (коронного разряда, пламени, плазмы и пр.) очень гидрофобны и имеют относительно низкую энергию.

Адгезионные свойства должны сохраняться как в короткий период, так и длительное время. Коэффициент растекания покрытия по подложке определяет равномерность первоначального смачивания. Энергия слипания покрытия/подложки (известная также как работа адгезии) характеризует систему в коротком периоде, а межфазное натяжение между покрытием и подложкой — в длительном периоде. Любое изменение поверхности подложки или свойств наносимого материала приведет к изменению всех трех параметров. Задача технолога — не только контроль качества обработки поверхности, но и оптимизация этих параметров.

Поверхностные свойства пластизоля были охарактеризованы с помощью свободной энергии поверхности (СЭП), включающей в себя полярную и дисперсную составляющие, последние были определены согласно методу Фоукса на основе краевого угла смачивания дииодометаном и водой. Контроль качства подготовки поверхности проводился на приборе краевого угла DSA100. Поверхностное натяжение наносимого материала (покрытие) исследовалось с помощью тензиометра K100. Для покрытия также определили его полярную и дисперсные части с помощью измерения краевого угла смачивания тефлоновой пластины.

Коэффициент растекания рассчитывается по формуле:

Энергия слипания (работа адгезии) рассчитывается по формуле:

Межфазное натяжение на границе пластизоль/покрытие определяется по формуле:

где - общая, дисперсная и полярная части свободной поверхностной энергии пластизоля,
а - общая, дисперсная и полярная части поверхностного натяжения покрытия.

Изначально для оформления внутреннего пространства автомобиля имелось два типа цветного покрытия: цвет олова и темно-серый. Покрытия имели значительные различия в рецептуре, в частности в типе пигментов и их стабилизаторов, однако исходным растворителем в обоих случаях был бутанон (метилэтилкетон). Покрытие цвета олова работало очень хорошо, как при первоначальном нанесении, так и по истечении короткого/длинного промежутка времени. Однако покрытие темно-серого цвета уже по истечении одной недели применения стало отслаиваться от пластизоля.

В обоих случаях коэффициент растекания был выдержан согласно установленному правилу, принятому зарубежными производителями покрытий: поверхностное натяжение покрытий было на 10 мН/м ниже, чем энергия поверхности пластизоля. Оба покрытия имели примерно одинаковые поверхностные натяжения (см. табл.), но несмотря на это они по-разному взаимодействовали с подложкой.

Для характеристики системы был использован описанный выше метод, результаты исследования поверхностных свойств пластизоля и покрытий приведены в таблице:

Как показало более детальное исследование качества поверхности, покрытия сильно различаются по полярности, при этом полярность покрытия цвета олова ближе к полярности пластизоля, и как результат, более низкое межфазное натяжение на границе подложка/покрытие и более высокая энергия прилипания и коэффициент растекания. Хотя коэффициент растекания и энергия прилипания для темно-коричневого покрытия были допустимы, но адгезия в длительный период времени — нет, т.е. межфазное натяжение на границе раздела фаз сыграло решающую роль.

Для покрытий часто встречается ситуация, когда энергия слипания порядка 65 мН/м, коэффициент растекания не больше 8 мН/м, а межфазное натяжение 1-2 мН/м. То, что мы только что наблюдали для темно-коричневого покрытия.

В первом варианте изменили подложку (пластизоль) с помощью обработки коронным разрядом. В результате такой обработки поверхность стала более полярной. При этом наибольший эффект был, когда полярность поверхности (31,25%) приблизили к полярности покрытия (34,57%). Свойства приведены в таблице ниже:

Обработка коронным разрядом привела к улучшению адгезионных свойств темно-коричневого покрытия в длительном периоде и увеличению энергии слипания. Однако хотелось, чтобы покрытие показывало отличные смачивающие свойства в течение всего процесса, т.е. необходим был высокий коэффициент растекания. Сделать это только за счет увеличения общей энергии поверхности пластизоля (с помощью обработки коронным разрядом) невозможно.

В конечном счете, по согласованию с производителями покрытий был несколько изменен композиционный состав покрытия (тип растворителя), в результате полярность нового темно-коричневого покрытия снизилась до 20,06%, что значительно ближе к полярности необработанного пластизоля (12,45%).

Таким образом, обработку пластизоля можно исключить, т.к. проще изменить композиционный состав покрытия, что значительно легче для производителя и дает превосходные результаты. Новое темно-коричневое покрытие на деле оказалось даже лучше в отношении адгезионных свойств в длительный период (о чем свидетельствует межфазное натяжение: 1,13 мН/м после изменения покрытия и 1,61 мН/м после изменения поверхности). Начальная адгезия покрытия к поверхности, хоть с ней и не было проблем, осталась на высоком уровне, а растекание стало аналогично растеканию покрытия цвета олова, о чем свидетельствуют равенство их коэффициентов растекания.

Приведенный выше пример показал важность таких параметров как коэффициент растекания, работа адгезии и межфазное натяжение, а также взаимосвязь между ними. Знания поверхностного натяжения и свободной энергии поверхности недостаточно для решения проблем равномерного нанесения покрытий и их долгосрочной службы. Необходимо также знать полярные и дисперсные силы, что можно определить с помощью приборов KRUSS. Зачастую бывает трудно модифицировать поверхность, на которую наносят покрытие, и значительно легче изменить свойства самого покрытия.

Полагают, что для покрытий с большим содержанием растворителя (в приведенных примерах было до 45% бутанона), поверхностные свойства бесполезны для решения возникающих проблем. Однако в ходе исследований было выявлено также влияние и других частей системы (пигментов, стабилизаторов и т.п.) на поведение покрытия. Таким образом, только целостное изучение композиций и учет всех факторов не всегда, но часто, может привести к полному пониманию поведения систем. Такой подход служит гарантией успешного прохождения контроля качества подготовки и обработки поверхности.