Introduzione: il successo o il fallimento dell’applicazione delle vernici è determinato dalla spalmatura di una goccia di pittura sul substrato.
Il primo passo dell’applicazione della vernice — il contatto della goccia di vernice con il substrato — determina se si verifichi lo spandimento a film o la contrazione in gocce, e ciò è deciso dalla differenza di tensione superficiale tra vernice e substrato. Quando la tensione superficiale della vernice è inferiore alla tensione superficiale critica del substrato, la vernice si spande automaticamente e bagna bene; viceversa, la vernice si contrae, formando crateri/pori aghi/occhi di pesce. Questo è il principio fisico più fondamentale e più trascurato nella verniciatura: la tensione superficiale è il “passaporto di bagnabilità” della vernice.
La tensione superficiale delle vernici e la teoria di bagnabilità si basano sull’equazione di Young (γ_SV=γ_SL+γ_LV×cosθ) e sul concetto di tensione superficiale critica di Zisman (γ_c) — quando la tensione superficiale del liquido verniciante (γ_LV) è < la tensione superficiale critica del substrato (γ_c) — l'angolo di contatto θ→0 — la vernice bagna e si distribuisce completamente. Questa teoria guida la scelta di agenti bagnanti/livellanti (riducendo γ_LV della vernice a < γ_c del substrato) e i processi di trattamento superficiale (aumentando γ_c del substrato).
I. Dati sulla tensione superficiale di substrati comuni e rivestimenti
| Materiale | Tensione superficiale/tensione superficiale critica (mN/m) | Requisiti di bagnabilità |
|---|---|---|
| Acciaio (pulito) | >100 (alta energia superficiale) | Quasi tutti i rivestimenti possono bagnarlo |
| Alluminio (pulito) | >80 | >99% dei rivestimenti può bagnarlo |
| PP (polipropilene) | 29-31 (molto bassa — non trattato) | Richiede primer CPO o trattamento con fiamma/corona fino a >38 |
| ABS | 35-42 | La maggior parte dei rivestimenti può bagnarlo |
| PC (policarbonato) | 38-45 | La maggior parte dei rivestimenti può bagnarlo — attenzione alla rottura da stress ESC |
| Rivestimento a base di solvente (tipico) | 25-30 (bassa tensione superficiale) | Può bagnare la maggior parte delle plastiche |
| Rivestimento a base acqua (tipico) | 35-45 (alta tensione superficiale) | È necessario aggiungere umettante per ridurla a <30 per bagnare la plastica |
Domande frequenti
Q1: Equazione di Young — perché l’angolo di contatto θ di una goccia di vernice su un substrato determina tutto?L’equazione di Young γ_SV=γ_SL+γ_LV×cosθ descrive l’equilibrio delle forze all’interfaccia a tre fasi solido-gas-liquido. θ<90° — la vernice bagna parzialmente (accettabile); θ90° — la vernice non bagna — si contrae in gocce (non accettabile). Metodi per ridurre θ: ridurre γ_LV della vernice (aggiungere umidificanti a base di polieter silossano — possono ridurre γ_LV da >35 a <25 mN/m); aumentare l'energia superficiale del substrato (trattamento a corona/plasma/fiamma — porta γ_c della plastica da 50).
Q2: Cratere – Perché una goccia di contaminante a bassa tensione superficiale può respingere tutta la vernice circostante? Sulla superficie del rivestimento cade una goccia di contaminante a bassa tensione superficiale (es. olio siliconico – γ<20mN/m) – la tensione superficiale della vernice attorno al contaminante è superiore a quella del contaminante – il gradiente di tensione superficiale spinge la vernice a fuggire dal contaminante verso l’esterno – si forma un anello di depressione attorno al contaminante – questo è il cratere. Una goccia di olio siliconico di diametro <0,1mm può generare un cratere di diametro >2-5mm – ingrandimento >50 volte. Prevenzione: pulizia rigorosa della officina – eliminare nebbie di olio siliconico/lubrificanti – utilizzare agenti antischiuma molecolari (silossano modificato con polietere) al posto degli antischiuma a base di puro olio siliconico.
Q3: Vortici di Bénard — perché sulla superficie della vernice che asciuga compaiono motivi esagonali?Durante l’essiccazione della vernice — il solvente evapora dalla superficie — la temperatura superficiale diminuisce — la tensione superficiale aumenta (più bassa è la temperatura, maggiore è la tensione superficiale). La differenza di tensione superficiale tra superficie e strato interno spinge il fluido a fluire dalle zone a bassa tensione superficiale verso quelle ad alta tensione superficiale — formando vortici convettivi esagonali — questi sono i vortici di Bénard. Al centro del vortice la vernice sale — ai bordi del vortice la vernice scende — le particelle di pigmento si accumulano ai bordi del vortice — formando motivi esagonali. Inibizione: aggiungere agenti livellanti (silossani a polieteri) — uniformare la tensione superficiale — eliminare il gradiente di tensione superficiale — annullare la forza motrice convettiva.
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Riassunto
La tensione superficiale del rivestimento e la teoria di bagnabilità costituiscono la base fisica per comprendere la spalmatura, l’ livellamento e i difetti (cratere/ vortici di Bernard/ buccia d’arancia) delle vernici. Gli umidificanti (che riducono γ_LV del rivestimento < γ_c del substrato) e gli additivi livellanti (che uniformano il gradiente di tensione superficiale) sono ausiliari indispensabili per l'applicazione delle vernici. Kexin New Materials offre la selezione di additivi umidificanti-livellanti e la misurazione della tensione superficiale — per far sì che il vostro rivestimento si spalmi come la seta — liscio come uno specchio.