Témata
Reklama

Plazmová předúprava povrchu - povrchová energie versus adheze

V oblasti úprav povrchů materiálů je obecně přijímáno, že povrchová energie je jedno z rozhodujících kritérií pro adhezi nátěrových hmot, barev, lepidel nebo speciálních povlaků. Čím vyšší je povrchová energie, tím lepší by měla být přilnavost. Na základě získaných výsledků z oblasti předúpravy povrchu plazmatem nebo ionizací však nebyla prokázána přímá korelace mezi volnou povrchovou energií materiálů povrchově upravených různými technologiemi a výslednou adhezí nátěrové hmoty nebo lepidla.

V rámci projektu Centrum výzkumu povrchových úprav (TE02000011) zdokonalujeme technologie povrchových úprav a provádíme komplexní srovnávací výzkum vlivu různých způsobů předúprav povrchu (plazmatem, ionizací, ožehem, klasickými odmašťovacími prostředky) pro různé materiály před nanášením nátěrových hmot (NH). V tomto příspěvku bychom čtenáře rádi seznámili s  výsledky na příkladu adheze vodouředitelných nátěrových hmot (VŘNH) pro šest druhů plastů.

Reklama
Reklama
Reklama

Stav ve světě

V oblasti předúprav povrchů před nanášením NH nejsou v současnosti veřejně dostupné údaje o případných problémech korelace volné povrchové energie a adheze NH k povrchu materiálu. Jiná situace je v oblasti lepení [1–3].

V publikaci [1] je popsána absence přímé korelace mezi povrchovou energií, popř. drsností povrchu a pevností spoje. Autoři publikace použili k předúpravě povrchu polyethylenových vzorků plazmovou trysku Openair (Plasmatreat) za použití suchého vzduchu nebo dusíku, přičemž vzorky byly následně slepeny dvoukomponentním lepidlem na bázi metakrylátu (Araldite 2024). Po plazmové modifikaci povrchu byla měřena volná povrchová energie. Pevnost ve smyku byla vyhodnocována podle DIN EN 1465. Všeobecně za použití shodných experimentálních podmínek vycházela vyšší povrchová energie i drsnost povrchu u vzorků modifikovaných plazmatem při použití vzduchu než u vzorků modifikovaných dusíkovým plazmatem. Navzdory nižší povrchové energii i nižší drsnosti povrchu měly však vzorky modifikované dusíkovým plazmatem vyšší pevnost spoje (viz tab. 1).

Tab. 1. Naměřená data na vzorcích PE pro různé předúpravy povrchu plazmovou tryskou Openair (Plasmatreat). (Převzato z [1])

Obdobný výsledek nekorelující smáčivosti povrchu a pevnosti lepeného spoje je uveden v publikaci [2], kde je studován vliv různých příměsí v dusíkovém plazmatu plazmové trysky Acxys A-60 (AcXys Technologies), kterým modifikovali povrch vulkanizované gumy pro zlepšení adheze spoje se silikonovým lepidlem (viz graf na obr. 1). Od roku 2012 výrobce trysky na svém webu tento jev přímo komentuje [3].

Obr. 1. Naměřená data na vzorcích vulkanizované gumy pro různé předúpravy povrchu pro plazmovou tryskou Acxys A-60 (AcXys Technologies) s různými příměsemi do dusíku. (Převzato z [2])

Experiment a výsledky měření

Pro porovnání vlivu různých příměsí v plazmatu byl použit nový typ plazmových zdrojů vyvíjených na Masarykově univerzitě. Na obr. 2 je ukázka tzv. RF štěrbinové plazmové trysky se šířkou a plazmatu cca 20–500 mm. Jako pracovní plyn byl použit argon, především z důvodu, že se jedná o inertní plyn, do něhož je možné přidávat další příměsi (např. N2, O2 aj.), díky kterým je možné cíleně modifikovat chemické vazebné skupiny na povrchu materiálu. Argon rovněž hraje významnou roli při omezení přístupu vzduchu k povrchu upravovaného materiálu. Koncentrace příměsí plynů byla zvolena 0,6 % objemu argonu. Jako srovnávací povrchová předúprava byla zvolena ionizace. Pro experiment byly vybrány dva typy VŘNH – (A) BaseCoat RAL 9010 a (B) Acrylcol lesk V2046-A-C1000-L2,5 RAL 9010 a šest druhů plastů – PP, ABS, PTB/ASA, PA, PC, PC/ABS. Vzorky byly před povrchovou úpravou umyty vodou s detergentem, opláchnuty čistou vodou a odmaštěny izopropanolem.

Povrchová energie byla měřena na přístroji SeeSystem E 7.0 (Advex Instruments) bezprostředně po plazmové úpravě. Celkovou volnou povrchovou energii tvoří součet disperzní (LW) a acidobazické (AB) složky: , přičemž LW značí celkovou disperzní Lifshitz-Van der Wallsovu interakci, která charakterizuje fyzikální interakci, a AB značí acidobazickou neboli elektron-akceptor/elektron-donorovou interakci podle Lewise, která charakterizuje chemickou interakci. Výsledky pro jednotlivé druhy plastů a typy předúprav povrchu jsou souhrnně uvedeny v tab. 2.


Tab. 2. Souhrnná tabulka celkové volné povrchové energie vzorků plastů před a po různých typech předúprav povrchu (modrá barva označuje technologické úpravy, kdy došlo ke snížení celkové volné povrchové energie vůči referenčnímu vzorku bez úpravy; zelená barva označuje nejvyšší dosažené hodnoty celkové volné povrchové energie).
Pro zvětšení klikněte na tabulku.

Hodnocení adheze NH k povrchu plastu probíhalo odtrhem podle normy ČSN EN ISO 4624 (673077) Nátěrové hmoty – Odtrhová zkouška přilnavosti. Výsledky pro jednotlivé druhy plastů a typy předúprav povrchu jsou pro VŘNH (B) souhrnně uvedeny v tab. 3. V případě nátěrové hmoty BaseCoat (A) došlo prakticky u všech vzorků ke koheznímu porušení NH, takže nebylo možné provést vzájemné porovnání mezi jednotlivými povrchovými úpravami a vyhodnocení testů, vyjma vzorku PP, u kterého je na obr. 2 následně provedeno grafické porovnání pro obě VŘNH.
Výsledky experimentu byly publikovány v [4].

Obr. 2. Příklad jednoho z nových typů RF plazmových trysek (šířka plazmatu 150 mm) vyvinutých na Masarykově univerzitě, který využívá jako pracovního plynu inertní argon s případnými příměsemi vhodně volených reakčních plynů.

Kritické zhodnocení změn volné povrchové energie a adheze

Porovnáme-li získané výsledky měření volné povrchové energie pro jednotlivé druhy plastů a typy předúprav povrchů (viz tab. 2) s údaji přilnavosti NH k povrchu plastu metodou odtrhu (viz tab. 3), dojdeme k  závěru, že pro velkou část vzorků volná povrchová energie nekoreluje se získanými hodnotami přilnavosti NH k podkladu.


Tab. 3. Souhrnná tabulka přilnavosti NH „B“ k povrchu plastu po různých typech předúprav povrchu (oranžová barva označuje nejvyšší dosažené hodnoty přilnavosti).
* VŘNH nevytváří souvislou vrstvu
Pro zvětšení klikněte na tabulku.


Tento výsledek je v přímém rozporu s běžně dostupnými informacemi, které jsou rozšířené například v plastikářském nebo automobilovém průmyslu nebo které prezentují výrobci a distributoři komerčních plazmových zdrojů, „inkoustů“ a přístrojů pro měření volné povrchové energie.

Podle našeho názoru, je tento výsledek dán tím, že adheze NH k podkladu je určena nejméně dvěma jevy, které mezi sebou mají přímou souvislost spíše výjimečně:
1. drsností a současně smáčivostí povrchu (volnou povrchovou energií);
2. chemickými vazbami mezi NH a povrchem.

Obr. 3. Grafické porovnání hodnot přilnavosti obou VŘNH („A“ a „B“) na stejném podkladu (PP) pro různé způsoby předúpravy povrchu.

Z výše uvedeného lze vyvodit, že používání plazmových trysek se vzduchem nebo dusíkem může v mnoha případech dávat pouze omezené výsledky, v některých případech mohou být tyto technologie i nevhodné. Oproti tomu použití inertního argonu s přídavkem vhodných příměsí podle konkrétní NH a podkladového materiálu má v technologiích povrchových úprav své opodstatnění. Finanční dopad na cenu výsledného produktu při použití argonu místo vzduchu nebo dusíku není nijak zásadní, protože v případě použití kapalného argonu klesají náklady na opracování plochy RF štěrbinovou plazmovou tryskou až na jednotky Kč/m2.

Poděkování

Příspěvek vznikl za finanční podpory TA ČR při řešení projektu TE02000011.

Mgr. Miloš Klíma, Ph.D., Mgr. Eva Kedroňová, Mgr. Maja Gašić - Masarykova univerzita, Přírodovědecká fakulta, Ústav fyzikální elektroniky

Ing. Miroslava Banýrová, František Vojíř – Galatek

Ing. Vladimír Špaček, CSc. – Synpo


klima@sci.muni.cz

www.sci.muni.cz/cz/UFE

Literatura
[1] Lommatzsch, U., Pasedag, D., Baalmann, A., Ellinghorst, G., Wagner, H.-E.: Atmospheric Pressure Plasma Jet Treatment of Polyethylene Surfaces for Adhesion Improvement. Plasma Processes Polym., 4, 2007, 1041–5.
[2] Moreno-Couranjou, M., Choquet, P., Guillot, J., Migeon, H.-N.: Surface Modification of Natural Vulcanized Rubbers by Atmospheric Dielectric Barrier Discharges Plasma Treatments. Plasma Processes Polym. 6, 2009, 397–400.
[3] AcXys Technologies, France: Adhesion vs wettability, 2012. Dostupné na WWW: //www.acxys.com/news/124-adhesion-vs-wettability.html.
[4] Klíma, M., Kedroňová, E., Gašić, M., Manýrová, M., Vojíř, F., Špaček, V.: Vliv plazmové předúpravy plastů na adhezi nátěrových hmot. TRANSFER – Výzkum a vývoj pro letecký průmysl, č. 28, roč. 11, 2016, 6–12. Dostupné na WWW: //cvpu.cz/ke-stazeni.

Uložit

Reklama
Související články
Komplexní způsob kontroly procesu odmaštění

Článek pojednává o možnostech komplexní kontroly procesu odmaštění v průmyslových aplikacích, tj. především o možnostech kontroly stavu povrchu výrobků před procesem odmaštění a po něm a o kontrole stavu odmašťovacích kapalin pomocí UV-VIS spektroskopie.

Předúprava oceli nízkoteplotním plazmatem pro zvýšení pevnosti lepeného spoje

V příspěvku jsou shrnuty výsledky výzkumu vlivu plazmochemické předúpravy vzorků oceli DC01 na výslednou pevnost lepeného spoje. Pro předúpravu povrchu vzorků oceli byla použita RF štěrbinová tryska generující plazma. Jako pracovní plyn byl použit argon a argon v kombinacích s dusíkem nebo kyslíkem. Vliv plazmové předúpravy na povrch oceli byl vyhodnocen pomocí měření kontaktních úhlů a výpočtu volné povrchové energie. Po slepení vzorků oceli pomocí běžně užívaného lepidla Weicon Flex 310M HT200 byly testovány výsledné vlastnosti lepeného spoje pomocí standardních mechanických odtrhových testů podle ČSN EN 1465.

Vakuové odpařování - technologie budoucnosti

Vakuové odpařování je v České republice poměrně málo používaná technologie. Má však velký potenciál pro budoucí rozšíření. Tato technologie nachází využití v povrchových úpravách, chemickém, strojírenském, potravinářském a farmaceutickém průmyslu. Firma Kovofiniš je jednou z prvních českých firem, která nabízí vlastní vakuové odparky.

Související články
Kompozitní povlaky jako možná náhrada za povlaky na bázi CrIV

Tento příspěvek se týká oblasti povrchových úprav, zejména elektrolyticky vyloučených kovových povlaků, a to způsobu vytvoření kompozitní povrchové úpravy na bázi niklu s vysokou odolností proti opotřebení. Výsledkem provedeného výzkumu je technologický postup závěsového pokovení pro nový kompozitní povlak NiP-XLS, který by mohl nahradit povlaky na bázi CrIV.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Ako zvýšiť kvalitu povrchových úprav

Dokonale čistý a odmastený povrch dielov je základnou črtou pre všetky povrchové úpravy, ktorý má veľký vplyv na výslednú kvalitu produktu. Predovšetkým rôzne spôsoby nanášania kovov si vyžadujú starostlivú prípravu povrchu, aby sa zabránilo vzniku škvŕn, ktoré vznikajú v dôsledku povrchovej kontaminácie počas tvárnenia kovov.

Zvýšení výkonu u tribo stříkání

Stříkání práškových barev systémem tribo je založeno na fyzikálních principech, které do značné míry určují výsledné parametry stříkacího zařízení. Výrobce stříkacích pistolí je postaven před úkol navrhnout optimální konstrukci, která bude poskytovat nejlepší možný výstup, jakým je dostatečně nabitý prášek, který vystupuje v požadovaném množství a s použitelnou rychlostí z ústí nabíjecí trubice. Jak název napovídá, nabíjení prášku tribo je založeno na principu tření.

Šetrné a účinné čištění těžko dostupných míst

Klasické postupy čištění ve vodě se dostávají na hranice svých možností, když jde například o kapilární struktury nebo komplexní geometrie. Za takové situace se nově na scénu dostávají tzv. CNP technologie (Cyclic Nucleation Process). Tato technologie pracuje na principu cyklické nukleace (tvorby krystalových zárodků z přesycených roztoků).

Stříkání a lakování - trendy jsou nepochybné

Nutnost zvyšovat technicko-ekonomickou úroveň firmy je na denním pořádku. Inovace zvyšují podnikovou konkurenceschopnost, kterou lze spatřovat zejména ve flexibilitě, tvorbě přidané hodnoty, efektivnosti a kvalitě. Také v oboru povrchových úprav je trendem automatizace a robotizace.

Vývoj epoxidových barev na konstrukce

Trendem dnešní doby je snižování nákladů na nátěrové systémy na konstrukce. Tyto systémy jsou ve většině případů složeny ze základní nátěrové hmoty (NH) epoxidového typu a vrchního polyuretanového emailu. V rámci úspory nákladů byla vyvinuta NH, která plní funkci obou těchto nátěrových hmot, to znamená, že má antikorozní vlastnosti, splňuje funkci vrchní NH a je možné ji aplikovat pouze v jedné vrstvě.

Jak zefektivnit proces stříkání práškovými barvami?

Jak již název článku uvádí, bude se v něm pojednávat o aplikaci práškových barev. Konkrétně se jedná o méně známou a využívanou možnost automatizace a mechanizace stříkání, kterou jsou postřikové stěny.

Zvýšení odolnosti polymerních nátěrů pomocí nano/mikrogelů

Polymerní nátěrové hmoty aplikované na výrobcích plní různé funkce, nejčastěji estetickou a ochrannou. Moderní typy nátěrových hmot by měly tyto funkce kombinovat a rovněž i vyhovovat stále se zpřísňující chemické legislativě a požadavkům kladeným na ochranu životního prostředí a pracovních potřeb. Přirozeným důsledkem je neustálá potřeba vyvíjet a zavádět nové sofistikované formulace nátěrových hmot, a to jak v oblasti rozpouštědlových, tak i vodouředitelných nátěrových hmot.

Předúpravy povrchů velkorozměrných ocelových konstrukcí

V letech 2014 až 2016 budovala jako generální dodavatel firma S.A.F. Praha, spol. s r. o., technologická zařízení pro mechanické předúpravy povrchu, odmašťování a termické nástřiky ve výrobním závodě polské firmy Famet v blízkosti města Opole. Investor a uživatel vyrábí zařízení pro energetiku, plynárenský a ropný průmysl, jejichž součástí jsou velké ocelové svařence s hmotností do 250 tun.

Čištění energetických zařízení

Vnitřní povrchy otopných a chladicích systémů jsou během svého provozu postupně pokrývány, vlivem chemických a fyzikálně chemických reakcí, pevnými úsadami nečistot, minerálů a korozních produktů. Vzniklé látky jsou tepelným izolantem a brání přestupu tepla. To má za následek omezení účinnosti systémů, zvýšení energetických a tlakových ztrát ale i omezení možnosti regulace a celkově snížení účinnosti těchto systémů.

Otěruvzdornost povlaků žárového zinku s přídavkem cínu

Žárové zinkování ponorem představuje jeden z nejrozšířenějších způsobů ochrany ocelových materiálů kovovými povlaky. Životnost takto zhotovených povlaků je v běžném prostředí více než 50 let, a proto nevyžadují údržbu. Vlastnosti zinkového povlaku lze navíc podle použití částečně ovlivňovat přídavkem některých prvků do oceli nebo zinkové lázně. V rámci výzkumu na Ústavu strojírenské technologie ČVUT v Praze bylo cílem zhodnotit odolnost proti otěru zinkového povlaku v závislosti na obsahu cínu v zinkové tavenině.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit