Химия и технология лакокрасочных покрытий

СМАЧИВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ НА ВОЗДУХЕ

Рассмотрим каплю жидкого лакокрасочного материала с крае­вым углом 0, помещенную на твердую горизонтальную поверхность в воздушной среде. Ее форма будет определяться совокупностью действующих сил в виде поверхностных натяжений на границе раз­дела фаз твердое тело - газ стг, твердое тело - жидкость и жид­кость - газ сжг. Возможны три случая:

1) полное смачивание - угол 0 равен нулю или близок к нему, жидкость свободно растекается по поверхности твердого тела (рис. 2.6, А);

2) неполное смачивание 0 < 0 < 90°, капля жидкости имеет форму шарового сегмента (рис. 2.6, Б);

3) несмачивание - угол 0 превышает 90°, жидкость стремится уй­ти с поверхности или собраться в сферическую каплю (рис. 2.6, В).

Рис. 2.6. Капля жидкости на поверхности твердого тела

Связь смачивающих свойств жид­кости с краевым углом выражается уравнением Юнга:

0-п “ Or* = сЖ1 cos 0.

Для удаления капли с поверхно­сти должна быть затрачена работа W, Которую можно вычислить как про­изведение работы адгезии Wa на пло­щадь поверхности контакта жидкости с твердым телом оотж:

W=

В свою очередь работа адгезии Wa может быть определена как разность между (ажт + атг) и поверхностным натяжением и с уче­том уравнения Юнга выражена следующим уравнением:

Wa = °жг + СТтг - °тж = °жг (1 + COS 0).

Произведение сЖ1 cos 0 нередко называют Энергией смачивания Или Адгезионным напряжением. Работа адгезии тем больше, чем силь­нее взаимодействие контактирующих фаз. Смачивание сопровожда­ется выделением теплоты; ее значение составляет 1СТ3-1СГ5 кДж/см2.

X. Д. Шенборн для характеристики процесса смачивания ввел Ко­эффициент растекания S - разность между работой адгезии и рабо­той когезии WK> численно равной 2сжг:

S= Wa - WK = Wa-20^ = 0«.(cos0- 1).

При полном смачивании 5 —► 0. В этом случае необходимо, что­бы работа адгезии примерно в 2 раза была больше поверхностного натяжения жидкости на границе с окружающей средой. Из уравне­ния также следует, что чем меньше работа когезии жидкости (мень­ше сжг при постоянном cos 0), тем легче эта жидкость смачивает раз­личные твердые тела. Действительно, неполярные жидкости (алифа­тические и ароматические углеводороды), имеющие поверхностное натяжение около 20 мДж/м2, и содержащие их краски удовлетвори­тельно смачивают большинство твердых тел различной природы, в том числе и полярные вещества. Напротив, жидкости с высоким по­верхностным натяжением (например, вода и водные краски) не сма­чивают многие тела.

Отметим, что высокоэнергетические поверхности смачиваются легче, чем низкоэнергетические, работа адгезии при этом также вы­ше. Так, при нанесении водных растворов пленкообразователей на
полистирол (окр = 33 мДж/м2) и олово (акр = 540 мДж/м2) ]/Уя равна соответственно 72 и 312 мДж/м.

Шероховатость поверхности положительно сказывается на смачи­вании гидрофильных тел (0 уменьшается) и в большинстве случаев от­рицательно - на смачивании гидрофобных. Процессы растекания ус­ложняются в случае высоковязких жидкостей - растворов и расплавов полимеров. Угол 0 в этом случае, как правило, высок (близок к 90°), и нередко создается ложное представление, что жидкость плохо смачивает поверхность. Не учитывается тот факт, что равновесное состояние крае­вого угла у таких жидкостей устанавливается медленно, иногда в тече­ние нескольких суток. Кроме того, угол, образующийся при растекании, может легко изменяться под влиянием механических воздействий.

В преобладающем числе случаев смачивание, обусловленное проявлением межмолекулярных сил, носит обратимый характер. Од­нако возможно и необратимое смачивание, когда в установлении связи участвуют силы химического взаимодействия.

Признаком плохого смачивания поверхности является "сбега- ние" - собирание краски в отдельные островки и капли. Такое явле­ние часто наблюдается при нанесении водных красок на плохо обез­жиренные поверхности, а также изделия, предварительно покрытые масляными красками, гидрофобные поверхности пластмасс и т. д. Влажные поверхности не смачиваются гидрофобными красками. Повышенная пористость покрытий, наличие ’’шагрени' (волнисто­сти) при нанесении жидких красок распылением и при сплавлении порошковых красок во многом являются следствием неудовлетвори­тельного смачивания и растекания красок на поверхности. Смачива­ние крайне важно при производстве печатной продукции и при на­несении красок валковым методом и электроосаждением.

Для улучшения смачивания особенно важным является соотно­шение взаимодействующих фаз жидкий материал - субстрат по зна­ку полярности (принцип "уравновешивания полярностей"). Извест­ный постулат "подобное растворяется в подобном" в полной мере распространяется и на смачивание.

Смачивание может быть улучшено введением в лакокрасочный материал агентов смачивания (соли жирных, нафтеновых и полиак­риловых кислот, лецитин, полифосфаты).

Присутствие свободных жирных кислот в масляных и алкидных красках благоприятно сказывается на смачивании, также как введе­ние в состав красок умеренно полярных растворителей (бутиловый спирт, этилцеллозольв, метилэтилкетон, циклогексанон, сольвент) и тщательное обезжиривание поверхности; смачивание улучшается при нанесении красок в подогретом состоянии.