Введение: успех или неудача нанесения покрытия — решается растеканием капли краски по подложке
Первый этап нанесения покрытия — контакт капли краски с подложкой — растекание с образованием плёнки или сжатие в каплю — определяется разностью поверхностных натяжений краски и подложки. Когда поверхностное натяжение краски ниже критического поверхностного натяжения подложки — краска растекается самопроизвольно — смачивание хорошее; в противном случае — краска сжимается — образуются кратеры/игольчатые поры/рыбьи глазки. Это самый фундаментальный, но наиболее игнорируемый физический принцип при нанесении покрытий — поверхностное натяжение = паспорт смачиваемости краски.
Теория поверхностного натяжения и смачивания лакокрасочных материалов основана на уравнении Юнга (γ_SV=γ_SL+γ_LV×cosθ) и концепции критического поверхностного натяжения Зисмана (γ_c) — когда поверхностное натяжение жидкого лакокрасочного материала (γ_LV) < критического поверхностного натяжения подложки (γ_c) — краевой угол смачивания θ→0 — лакокрасочный материал полностью смачивает и растекается. Эта теория направляет выбор смачивателей/выравнивателей (снижение γ_LV лакокрасочного материала до < γ_c подложки) и технологии обработки поверхности (повышение γ_c подложки).
I. Данные по поверхностному натяжению распространённых оснований и лакокрасочных материалов
| Материал | Поверхностное натяжение/критическое поверхностное натяжение (мН/м) | Требования к смачиванию |
|---|---|---|
| Сталь (чистая) | >100 (высокая поверхностная энергия) | Практически любые покрытия способны смачивать |
| Алюминий (чистый) | >80 | >99% покрытий способны смачивать |
| PP (полипропилен) | 29-31 (очень низкое — необработанное) | Требуется грунтовка CPO или пламенная/коронная обработка до >38 |
| ABS | 35-42 | Большинство покрытий способны смачивать |
| PC (поликарбонат) | 38-45 | Большинство покрытий способны смачивать — внимание к растрескиванию от напряжения ESC |
| Растворимые покрытия (типичные) | 25-30 (низкое поверхностное натяжение) | Способны смачивать большинство пластиков |
| Водные покрытия (типичные) | 35-45 (высокое поверхностное натяжение) | Требуется добавление смачивателя до <30 для смачивания пластиков |
Часто задаваемые вопросы
Q1: Уравнение Юнга — почему краевой угол θ капли покрытия на подложке определяет всё?Уравнение Юнга γ_SV=γ_SL+γ_LV×cosθ описывает баланс сил в точке тройного контакта твёрдое-газ-жидкость. θ<90° — покрытие частично смачивает (допустимо); θ90° — покрытие не смачивает — собирается в капли (недопустимо). Способы уменьшения θ: снижение γ_LV покрытия (добавление смачивающего агента на основе полиэфирсилоксана — может снизить γ_LV с >35 до <25 мН/м); повышение поверхностной энергии подложки (коронный/плазменный/огневой разряд — повышает γ_c пластика с 50).
Q2: Кратеры — почему одна капля загрязнителя с низким поверхностным натяжением может оттолкнуть всю окружающую краску? На поверхность покрытия попадает капля загрязнителя с низким поверхностным натяжением (например, силиконовое масло — γ<20 мН/м) — поверхностное натяжение краски вокруг загрязнителя выше, чем у загрязнителя — градиент поверхностного натяжения заставляет краску уходить от загрязнителя наружу — вокруг загрязнителя образуется кольцевое углубление — это и есть кратер. Капля силиконового масла диаметром 2–5 мм — увеличение более чем в 50 раз. Профилактика: строгая чистота цеха — исключение тумана силиконового масла/смазки — использование молекулярных пеногасителей (полиэфирмодифицированный силоксан) вместо пеногасителей на чистом силиконовом масле.
Q3: Вихри Бенара — почему при высыхании краски на поверхности появляется шестиугольный узор?В процессе высыхания краски — растворитель испаряется с поверхности — температура поверхности снижается — поверхностное натяжение повышается (чем ниже температура, тем выше поверхностное натяжение). Разница поверхностного натяжения между поверхностью и нижним слоем заставляет жидкость течь из зоны с низким поверхностным натяжением в зону с высоким — образуются шестиугольные конвективные вихри — это и есть вихри Бенара. В центре вихря краска поднимается вверх — по краям вихря краска опускается вниз — частицы пигмента скапливаются по краям вихрей — формируется шестиугольный узор. Подавление: добавление выравнивателя (полиэфирсилоксана) — выравнивание поверхностного натяжения — устранение градиента поверхностного натяжения — сглаживание конвективной движущей силы.
См. также / Связанные материалы
Резюме
Теория поверхностного натяжения и смачивания лакокрасочных материалов является физической основой понимания растекания, выравнивания и дефектов (кратеры / завихрения Бенара / апельсиновая корка) покрытий. Смачиватели (снижающие γ_LV покрытия < γ_c подложки) и выравниватели (выравнивающие градиент поверхностного натяжения) — необходимые вспомогательные добавки при нанесении покрытий. Кэсинь Новые Материалы предоставляет услуги по подбору вспомогательных добавок для смачивания и выравнивания, а также измерению поверхностного натяжения — чтобы ваше покрытие растекалось как шёлк и было гладким как зеркало.