Вопросы адгезии при нанесении высокотемпературных покрытий

УДК 667.612
"Успехи в химии и химической технологии". Том XXXV. 2021. №4.
Елизарова Юлия Александровна - инженер-технолог; акционерное общество «Композит»; Россия, Королев, улица Пионерская, дом 4;
Захаров Александр Иванович - доктор технических наук, доцент кафедры общей технологии силикатов, заведующий кафедрой общей технологии силикатов; ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В научной статье рассмотрены особенности возникновения адгезии при нанесении покрытий, факторы, влияющие на адгезионную прочность, и некоторые методики ее определения.
Ключевые слова: адгезия, покрытие, грунтовочный слой.

Введение

В зависимости от назначения и условий эксплуатации покрытий к ним предъявляются различные защитные требования. Основными характеристиками лакокрасочных покрытий являются: адгезия, твердость, эластичность, водопоглощение, влагопроницаемость, химическая стойкость, стойкость к истиранию, долговечность, атмосферостойкость, термо- и морозостойкость, светостойкость. Одним из основополагающих свойств лакокрасочных пленок является адгезия. С ней связаны нанесение покрытий, склеивание, спекание и многие другие технологические процессы [1].

Под адгезией понимают явление, заключающееся в установлении связи между покрытием и подложкой. Адгезия определяется силой химического взаимодействия молекул на поверхности раздела двух фаз. Она может быть обусловлена как межмолекулярным взаимодействием, так и химической связью. Притяжение жидкости к твердому телу определяется значениями поверхностной энергии жидкости, твердого тела и межфазной поверхностной энергией. Адгезия связана с поверхностными явлениями, однако она может определять и объемные свойства соприкасающихся тел, в частности, их структуру в зоне контакта, распределение механических напряжений в поле внешних сил, кинетику релаксационных процессов [2].

Адгезия является одной из важнейших характеристик, о ней судят по результатам измерений адгезионной прочности соединения «лакокрасочный материал - подложка».

Адгезионная прочность - работа, которую необходимо затратить на разрушении адгезионных связей. Адгезионная прочность зависит от характера, прочности, энергии межфазных связей, их количества, полноты контакта, смачивания и других поверхностных явлений. Она также зависит от природы связующего, подложки, технологического процесса подготовки и получения покрытия, условий эксплуатации и т.д. При формировании покрытия и в процессе его эксплуатации первоначально установившиеся связи могут сохраняться, разрушаться или дополняться новыми связями (молекулярное, хемосорбционное, электростатическое и диффузионное взаимодействия). Уменьшение адгезионной прочности объясняется протеканием химических или физических процессов в покрытии, образованием новой фазы на границе раздела «покрытие -подложка» и воздействием внутренних и внешних напряжений на покрытие [1-6].

На адгезионную прочность покрытия влияют следующие факторы:

Природа лакокрасочного материала. От природы лакокрасочного материала, его фазового состава и физического состояния напрямую зависит адгезионная прочность покрытия. Лучшей адгезионной прочностью по сравнению с кристаллическими обладают аморфные
пленкообразующие. Для повышения адгезионной прочности пленкообразующего применяют активные наполнители, сшивание цепей макромолекул, направленное регулирование структуры, снижение газонаполнения.

• Материал подложки. В качестве подложек могут быть использованы различные материалы - металл, керамика, стекло, композиционные материалы и т.д. Пограничные слои пленки и подложки могут образовывать различные адгезионные связи. Очевидно, что адгезия пленки при возникновении химической связи на границе раздела значительно больше, чем при абсорбционной связи.

• Структура подложки. Важную роль в обеспечении адгезионной прочности играет пористость материала подложки, благодаря пористости в разы увеличивается площадь взаимодействия покрытия и окрашиваемой поверхности за счет затекания лакокрасочного материала в микропоры и микротрещины подложки. На подложках с гладкой поверхностью (ситаллы, стекло) и низкой поверхностной энергией достаточно сложно получить покрытие с высокой адгезионной прочностью из-за меньшей поверхности контакта и меньшего механического зацепления лакокрасочного покрытия с окрашиваемой поверхностью.

Методы подготовки поверхности перед окрашиванием играют главную роль в обеспечении адгезионной прочности лакокрасочного покрытия с окрашиваемой поверхностью. В качестве подготовки поверхности наиболее распространены механические и химические способы. К механической подготовке поверхности относится механическое воздействие на окрашиваемую поверхность для удаления окисных пленок и придания поверхности определенной шероховатости. К химической подготовке поверхности относится химическое удаление окисной пленки и активация поверхности.

Эти способы подготовки поверхности позволяют достичь различных сил межмолекулярного взаимодействия, включая химические, что и обеспечивает прочную адгезионную связь. Для обеспечения хорошей адгезии слабо адгезирующего материала необходимо наносить грунтовочный слой, имеющий хорошую адгезию к окрашиваемой поверхности и обеспечивающий прочное сцепление наносимого покрытия с материалом подложки.

• Чистота поверхности. Наличие загрязнений на окрашиваемой поверхности негативно влияет и приводит к нестабильным значениям адгезии и других свойств наносимого лакокрасочного покрытия. Для удаления жировых загрязнений образующихся в результате применения транспортировочных масел (для металлических изделий), потожировых отложений в результате контакта с незащищенными руками принято применять химические способы (растворители), водные растворы, щелочное обезжиривание, ультразвуковые и электрохимические методы.

• Температурный режим. Для каждого покрытия предъявляется температурно-влажностной режим формирования покрытия. При соблюдении температурно-влажностного режима достигаются оптимальные условия розлива лакокрасочного материала и скорости испарения растворителя, это обеспечивает более высокую адгезионную прочность в момент формирования адгезионного контакта. При низких температурах адгезия обычно хуже, так как пленка в процессе испарения растворителя менее текуча и возникающие в процессе сжатия пленки напряжения действуют более сильно. При повышенных температурах происходит ускоренное испарение растворителей с поверхности нанесенного слоя и ускоренному формированию верхнего слоя, что приводит к появлению трещин ввиду воздействия испаряющихся паров растворителя в толщине слоя. Влажность воздуха также влияет на адгезионную прочность покрытий. Это влияние обусловлено проникновением влаги в зазор между контактирующими телами в результате адсорбции и капиллярной конденсации, что приводит к ухудшению адгезии.

• Толщина покрытия. Оптимальная толщина покрытия обусловлена соотношением адгезионной прочности к требуемым характеристикам. Чем тоньше покрытие, тем выше прочность адгезионной связи с подложкой. Многослойные покрытия, состоящие из нескольких тонких слоев, прочнее однослойных, имеющих ту же толщину. Прочность соединения с подложкой зависит от характера разрушающей нагрузки и скорости ее приложения [16].

Методы измерения адгезии лакокрасочных материалов основаны на определении приложенного внешнего усилия, под действием которого в адгезионном соединении возникают напряжения, приводящие к его разрушению. Условно выделяют количественные (методы отслаивания и отрыва) и качественные (методы параллельных и решетчатых надрезов) методы определения адгезии.
Метод отслаивания основан на измерении усилия, необходимого для отслаивания гибкой подложки от лакокрасочной пленки, армированной стеклотканью. В качестве гибкой подложки используют алюминиевую или медную фольгу. Отслаивание можно проводить под разными углами, часто угол отслаивания принимают равным 180°. Если отслаиваемая пленка обладает недостаточной прочностью, то ее армируют полосками стеклоткани.

Методы параллельных и решетчатых надрезов (рис. 1) заключаются в том, что на поверхности покрытия режущим инструментом на расстоянии 1 -2 мм (в зависимости от толщины пленки) делают надрезы в виде параллельных линий или решетки. По степени отслаивания или удержания покрытия на поверхности подложки судят об адгезионной прочности, которую выражают в баллах. Наилучшей адгезионной прочности соответствует 1 балл, наихудшей - 3 балла (метод параллельных надрезов) и 4 балла (метод решетчатых надрезов).

Метод решетчатых надрезов с обратным ударом заключается в нанесении надрезов на поверхности покрытия в виде решетки и визуальной оценке состояния решетки покрытия после ударного воздействия, оказываемого на обратную сторону подложки в месте нанесения решетки. Данный метод предназначен для определения адгезионной прочности высоко эластичных покрытий [1, 7].
Метод отрыва заключается в нанесении лакокрасочного покрытия на пластины одинаковой толщины. После сушки лакокрасочной системы к окрашенной поверхности с помощью клеящего вещества приклеивают цилиндрические заготовки. После отверждения клея, приклеенные заготовки подвергают испытанию на отрыв, измеряя усилие, потребовавшееся для отрыва покрытия от поверхности. За результат принимают растягивающее усилие, необходимое для разрушения самой слабой границы раздела (нарушение адгезии) или самого слабого компонента (нарушение когезии) в испытуемом образце [8].

Заключение

Адгезия является основополагающей характеристикой при разработке и выборе лакокрасочных материалов, так как прочное сцепление покрытия с защищаемой поверхностью является важнейшим условием при эксплуатации покрытия. В некоторых случаях для достижения адгезионных или защитных характеристик необходимо применение промежуточного
(грунтовочного) слоя.

В сложных многослойных системах покрытия, в которых каждый слой имеет разные состав и функциональные свойства, возникает новое требование - обеспечение прочного сцепления между слоями, что достигается родственностью пленкообразующего в этих материалах или физическим сцеплением слоев.

Для высокотемпературных покрытий с температурой эксплуатацией до 2000 °С характерно определение адгезии методом параллельных надрезов, что обусловлено высокой наполненностью системы данных покрытий, их низкой эластичностью (за счет применения неорганических силикатных и металлофосфатных пленкоорбразующих) и относительно высокой пористостью. Зачастую высокотемепературные покрытия наносят на композиционные материалы, обладающие высокой пористостью, с применением праймера (грунтовочного слоя) с высокой проникающей способностью, обеспечивающего высокие адгезионные характеристики наносимому покрытию.

Список литературы

1. Яковлев А. Д., Яковлев С. А. Лакокрасочные покрытия функционального назначения. СПб.: ХИМИЗДАТ. 2016. 272 с., ил.
2. Зимон А. Д. Адгезия пленок и покрытий. М.: Химия. 1977. 352 с.
3. Басин В. Е. Адгезионная прочность. М.: Химия. 1981. 208 с., ил.
4. Аппен А. А. Температуроустойчивые неорганические покрытия. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: «Химия». 1976.
5. Дерягин Б. В., Коротова Н. А., Смилга В. П. Адгезия твердых тел. М.: Наука. 1973. 280 с.
6. Вакула В. Л., Притыкин Л. М. Физическая химия адгезии полимеров. М.: Химия. 1985. 224 с.
7. ГОСТ 15140-78. Материалы лакокрасочные. Методы определения адгезии.
8. ГОСТ 32299-2013. Материалы лакокрасочные. Определение адгезии методом отрыва.