Химия и технология лакокрасочных покрытий

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АДГЕЗИОННОЙ ПРОЧНОСТИ

Существуют прямые и косвенные методы определения адгези­онной прочности. В первом случае об адгезионной прочности судят по усилию, под действием которого в адгезионном слое возникают нормальные или касательные напряжения, вызывающие разрушение соединения, во втором - по косвенным характеристикам: скорости и интенсивности эмиссии электронов, значению разрядного потенциа­ла, характеру и активности поверхности, образующейся в результате расслоения адгезива и субстрата, и др.

Наиболее распространены прямые методы, при которых отде­ление пленки от подложки производят при воздействии статиче­ской или динамической нагрузки. В зависимости от способа на­рушения адгезионных связей различают неравномерный отрыв, равномерный отрыв и сдвиг. Сопротивление, которое приходится преодолевать при равномерном отрыве или сдвиге (усилие рас­пределяется равномерно по всей поверхности образца), выражает­ся в Па. В случае неравномерного отрыва, когда нагрузка прилага­ется лишь к части образца и распространяется последовательно по его поверхности, единицей адгезионной прочности служат Н/м (или кН/м).

Существует много разных методов определения адгезионной прочности. Широкое практическое применение, однако, получили лишь немногие из них.

Метод постепенного отслаивания. Этот метод основан на оценке усилия отслаивания (расслаивания) адгезионно связанных поверхно­стей. Отслаивают или пленку от подложки (если она достаточно гиб­кая), или подложку от пленки. В последнем случае применяют гиб­кие подложки: мягкую алюминиевую, отожженную стальную, мед­ную фольгу или фольгу других металлов; толщина фольги 20-50 мкм. Отслаивание можно проводить под разными углами. Наиболее часто угол отслаивания принимают равным 180°. Если отслаиваемая плен­ка обладает недостаточной прочностью, то ее армируют полосками марли или стеклоткани.

Различные варианты метода отслаивания схематично представ­лены на рис. 4.17, А-г. Определения проводят с помощью приборов - динамометров и адгезиометров. Пригодны, в частности, разрывные машины РМИ-5, 2М-40, динамо­метр Поляни и др. Специально разработанные адгезиометры по­зволяют в широких пределах варь­ировать скорости и углы отслаива­ния покрытий и получать точные, воспроизводимые результаты.

Примеры адгезиограмм при от­слаивании покрытий приведены на рис. 4.18.

Рис. 4.18. Адгезиограммы при от­слаивании эпоксидного покрытия от стальной фольги (1) и полиэтиле­нового покрытия от алюминиевой

Фольги (2) /,мм

Значения адгезионной прочности при определениях зависят от толщины покрытий (если отслаивают пленку), модуля упругости ма­териала фольги (если отслаивают подложку), скорости и угла отслаи­вания а. При всех вариантах метода усилие отслаивания является суммой затрат усилий на преодоление адгезионной связи и на де­формацию (изгиб) отслаиваемого материала (пленки или подложки). При изменении а работа отслаивания \?а изменяется следующим образом:

Скорость отслаивания часто принимают равной 6,5-7,0 мм/мин, при ее увеличении усилие отслаивания возрастает.

Разновидностью метода расслаивания является метод клина, при котором отделение пленки от подложки осуществляют на принципе механического расклинивания резцом (см. рис. 4.17, Д). Метод клина положительно зарекомендовал себя при определении адгезии жест­ких хрупких покрытий на недеформируемых подложках. Его удобно применять, когда адгезионная прочность превышает когезионную прочность материала пленки.

Метод одновременного отрыва. В зависимости от способа при­ложения нагрузки этот метод имеет ряд разновидностей (рис. 4.19). Применяют нормальный отрыв при растяжении или сдвиге (грибко­вый метод, метод штифтов, по отрыву диска), отрыв центробежной силой (метод ультрацентрифуги), вибрацией (ультразвуковой ме­тод), за счет инерции движущегося образца (метод пневматического ружья). Общим для них является то, что сила отрыва действует со­средоточенно и распределяется равномерно по площади адгезионно­го контакта. Результаты выражают отношением усилия отрыва к площади адгезированной пленки. Каждый из этих методов имеет свои особенности.

Определения по методу грибков (адгезиметр ОР, измерения по ГОСТ 28574, ISO 4624) удобно проводить на покрытиях из красок, не содержащих растворителей (порошковых, на жидких олигоме­рах и др.). Погрешность при определениях не превышает 10%. Метод штифтов дает воспроизводимые результаты в случае жест­ких прочных покрытий толщиной более 100 мкм. Для менее жест­ких покрытий лучше подходит прибор по отрыву диска (определе­ние по DIN 53232).

Определения адгезионной прочности на принципе воздействия центробежной силы проводят с помощью ультрацентрифуг УЦ-1 и УЦ-И с частотой вращения ротора 104-10э об/мин; метод достаточно трудоемкий. Другие разновидности метода одновременного отрыва (ультразвуковой, инерционный), применяемые за рубежом, не полу­чили распространения в нашей стране.

Прочие методы. В исследовательской практике оправдал себя оптический метод, согласно которому адгезионную прочность оце­нивают по значению критических внутренних напряжений, вызы­вающих самоотслаивание покрытия. Ограничение метода - то, что адгезионную прочность можно измерять лишь на поверхности по­лированного оптического стекла - призмы.

Стандартным (ГОСТ 15140-78, DIN 53211) и распространен­ным при определении адгезионной прочности покрытий является метод решетчатых и параллельных надрезов. Суть метода заклю­чается в том, что на поверхности покрытия режущим инструмен­том делают на расстоянии 1 или 2 мм (в зависимости от толщины пленки) надрезы в виде решетки или параллельных линий. По степени отслаивания или удержания образующихся элементов пленки судят об адгезионной прочности, которую выражают в баллах. Наилучшей адгезионной прочности соответствует 1 балл. На этом принципе разработаны адгезиметры АД-1, АД-2, адгези­метр PH. Они обеспечивают удобство и повышенную точность из­мерений.

Разновидностью метода решетчатых надрезов является опреде­ление адгезионной прочности по ISO 2409. Образец с покрытием, на котором сделаны надрезы, подвергают вытяжке на прессе Эриксена (глубина вдавливания 5 мм), после чего оценивают адгезионную прочность по шестибалльной шкале (в зависимости от площади от­слаивания пленки). Наиболее высокий балл - 0, когда отслаивание отсутствует. Определение проводят на деформируемых образцах из металла - пластинках толщиной 0,5 мм. Метод особенно себя заре­комендовал при оценке адгезионной прочности покрытий, получае­мых йз порошковых красок.

При любых сочленениях двух твердых разнородных материалов обычно возникают напряжения, обусловленные различием их физи­ческих свойств и наличием адгезионного контакта. Лакокрасочные покрытия в этом отношении не представляют исключения. Возни­кающие в них напряжения могут быть вызваны как внешними воз­действиями (нагружение, деформация подложки), так и внутренними факторами (испарение растворителей, охлаждение и кристаллизация, протекание химических реакций и т. д.). Последний вид напряжений носит название внутренних или остаточных. Они были обстоятель­но рассмотрены в работах отечественных ученых В. А. Каргина и М. И. Карякиной, С. А. Шрейнера, П. И. Зубова, А. Т. Санжаровского.

По своему происхождению внутренние напряжения бывают двух видов: 1) усадочные, возникающие вследствие усадки материала пленки при формировании или эксплуатации покрытия, и 2) терми­ческие, появляющиеся при изменении температуры в результате не­соответствия в значениях термических коэффициентов линейного расширения подложки и покрытия. В покрытиях, сформированных при повышенных температурах, внутренние напряжения авн нередко являются суммой усадочных су и термических ат напряжений:

^ви С7у От.

Внутренние напряжения в покрытиях - преимущественно на­пряжения растяжения. Они опасны тем, что снижают когезионную и адгезионную прочность, а следовательно, и долговечность покрытий. Нередко внутренние напряжения достигают настолько больших зна­чений, что происходит самопроизвольное растрескивание или от­слаивание покрытий уже в процессе их формирования. Уменьшение и исключение напряжений представляет важную задачу в технологии покрытий.