2. Нанесение полимерного материала (частиц , пленки, пластин, слоя раствора, суспен-
зии, адсорбированных молекул) на поверхность;
3. Закрепление полимерного материала на поверхности (приклеивание, спекание, полимеризационная обработка);
1. Заключительная обработка покрытия с целью достижения необходи- мых служебных свойств.
2. Контроль качества покрытия, оценка соответствия его свойств, гео- метрических параметров требуемым.
Предварительная поверхностная обработка изделий оказывает опреде- ляющее влияние на адгезию покрытия, его механические свойства и правиль- ный выбор метода и режима её проведения является одной из основных задач при оптимизации технологии.
Все методы активационной обработки разделяют на механические, хими-
ческие, физические.
Механические методы включают пескоструйную и дробеструйную обра-
ботку, шабровку, очистку механическими щетками. В условиях серийного производства большое распространение получили дробеструйные методы. Для этого используют стальную и чугунную крошку, Al2O3, SiC, кварцевый песок, частицы гранита и др. Обработка производится в герметически закрытых шка- фах. Дробеструйная обработка производится на устройствах двух типов:
-гидро- или пневмоустановки, в которых твердые частицы разгоняются
потоком воздуха или водой и направляются на обрабатываемую поверхность;
-центробежные установки: придание частицам необходимой скорости осуществляется в результате действия на них центробежных сил.
При механической обработке в поверхностных слоях обрабатываемой де- тали протекают процессы микрорезания, пластического деформирования, на- клепа, происходит удаление оксидных слоев, загрязнений.
Механические методы обработки почти всегда применяется перед нанесением плаз-
менных, газопламенных покрытий. При этом направление движения твердых частиц относи- тельно поверхности совпадает с направлением частиц, образующих покрытие при напыле- нии.
Химические методы проводят с целью обезжиривание поверхности, фор- мирования на ней слоя с определенными морфологией (травление), химическим составом и свойствами. Такая обработка заключается в действии на поверх- ность растворителей, специальных химических растворов, паст. Для повыше-
15
ния эффективности обработки деталь или раствор нагревают до Т=60-80 0С. После обработки поверхности растворами деталь промывают горячей водой, затем холодной и сушат.
Важной операцией является контроль качества обработки, который может
осуществляют разными способами. Наиболее простым является способ, осно- ванный на восстановлении металлов в соответствующих растворах. Так, на- пример, деталь из черного металла помещается в раствор сульфата меди. Через некоторое время на поверхности металла осаждается тонкий слой меди. На уча- стках поверхности, содержащих загрязнения, такой слой отсутствует.
Достаточно технологичным является флуоресцентный метод анализа. При его реализации обрабатываемая деталь помещается в раствор флуорес- центного красителя. Если деталь хорошо обработана, то под действием Уф из- лучения происходит равномерное свечение поверхности.
В ряде случаев эффективна электрохимическая обработка, осуществ- ляемая в щелочных (NaOH) растворах или растворах солей NaCO3 , NaPO4 при воздействии постоянного или переменного тока.. При прохождении тока через раствор происходит электролиз. На поверхности детали, которая является од-
ним из электродов, образуются газовые пузыри, которые захватывают загряз- нение на поверхности и удаляются с поверхности вместе сними. Основной не- достаток данного метода: нельзя провести качественную обработку поверхно- стей сложной формы.
Одним из наиболее эффективных методов химической обработки, ис- пользующихся при подготовке поверхности к окраске, нанесению полимерных покрытий является фосфатирование. Метод заключается в обработке поверх- ности в растворах солей фосфорной кислоты. В результате, на поверхности об- разуется плотный, нерастворимый в воде слой фосфатов. Образовавшаяся пленка является сплошной, мелкодисперсной и имеет высокую шероховатость, поэтому адгезия наносимого покрытия после фосфатирования очень высокая. Очаг коррозии, образовавшейся в области сквозной поры, при проведении фос-
фатирования локализуется. Если же поверхность не фосфатирована, то корро- зия быстро распространяется по границе пленка-подложка.
Наиболее эффективно применение фосфатирования при нанесении по- крытий, эксплуатируются в воде или во влажной атмосфере. Не рекомендуется производить фосфатирование при эксплуатации покрытия в кислых средах; в этом случае кислота взаимодействует с фосфатами, и образуются легкораство- римые соли, что ведет к разрушению пленки.
Фосфатирование проводят путем окунания изделия в фосфатирующий раствор или его распылением в струйных камерах ; в последнем случае качест- во обработки более высокое. Промышленность выпускает специальные хими- ческие концентраты для фосфатирования КФ-1, КФ-2, КФА-1 и другие. После обработки деталь промывают водой, и подвергается пассивации (закрепление проводится раствором, содержащим 0,2-0,25 г/л хромового ангидрида) при температуре 40-450С в течение 0,5-1,0 мин. После пассивации деталь сушат 2-5 мин. при температуре 100-1200С.
16
К физическим методам обработки относятся методы, заключающие- ся в воздействии на поверхность электрических и магнитных полей, заря- женных частиц, обработка в электрических разрядах, ультразвуком, ультра- фиолетовым излучением, радиационная обработка, газопламенная и т.д.
При активации диэлектрических материалов (полимеров, стекла) доста- точно эффективно применение обработки в плазме газового тлеющего разря- да, образующегося при относительно низком давлении 1-100 Па.
В общем случае, структура газового разряда зависит от геометрии межэ- лектродного промежутка, давления газа, наличия внешних магнитных полей. При этом прохождение электрического тока через газовую среду оказывает су- щественное влияние на состояние этой газовой среды. Как правило, в газовой фазе протекают сложные физико-химические процессы. Поэтому при опреде- лении оптимальных режимов обработки используют почти всегда эмпириче- ский подход : приводят достаточно большие по объему экспериментальные ис- следования, на основании которых делают выбор наиболее эффективных режи- мов обработки. Активационный эффект при воздействии тлеющего разряда на поверхность диэлектрика обусловлен следующими факторами: воздействием на
поверхность электронов; воздействием на поверхность ионов; обработкой по- верхностных слоев ультрафиолетовым излучением, которое генерируется в зо- не разряда. В результате в поверхностных слоях диэлектрика протекают про- цессы :
1. Зарядка поверхности, приводящая, как правило, к образованию элек- третного состояния;
2. Химические процессы с участием молекул газовой среды, например, окисление поверхностных слоев (наиболее существенны при обработке в ки- слород -содержащей газовой фазе);
3. Деструкция макромолекул, образование низкомолекулярных продук- тов, радикалов и реакции с их участием;
4. Очистка поверхности, удаление влаги и т.д.
Считают, что основным процессом, определяющем степень активности поверхности, является образование электретного состояния. В пользу данного предположения свидетельствуют факты о сохранении активности обработан- ных поверхностей диэлектриков в течение 30-40 дней после обработки ( в ряде случаев даже до 6 месяцев). Достигаемый активационный эффект зависит в ос- новном, не только от дозы облучения, но и от энергии частиц. Обработка явля- ется эффективной, если энергия частиц выше некоторой пороговой для данного материала.
Основным параметром, определяющим тип разряда, является плотность тока. Оптимальными значениями плотности тока при обработке в среде воздуха при Р=6,65 Па является плотность тока, равная 6.10-3 А/м2, в среде аргона – 5.10-
3 А/м2 , в среде гелия – 5,5.10-5А/м2. На практике получили распространение следующие конструкции устройств для обработки в плазме тлеющего разряда:
17
J=2,375.10-7U2P1,49 А/м2, где U-напряжение между электродами;
Р-давление в камере.
При такой схеме происходит двухсторонняя обработка пленки, однако в этом случае пленка должна быть не сплошной, а перфорированной, содержа- щей промежутки.
2. Обработка в разряде, создаваемым между цилиндрическими электро- дами диаметром 16 мм. Расчет оптимального значения плотности тока про- водится с помощью формулы
J=1,74.10-7U2P1,49 A/м2.
3.Обработка с помощью плоских электродов, лежащих в одной плоскости. В этом случае
возможна односторонняя активация плотных пленок, пластин. Расчет плотности тока проводят с помощью соотношения
J=3,27.10-7U2P1,49 A/м2.
Степень обработки определяется временем выдержки детали в зоне раз-
ряда; при этом эффективность активационного действия оценивается, напри- мер, по величине прочности адгезионного соединения. Часто в качестве крите- рия степени активационной обработки используют краевой угол смачивания.
Для системы полиэтилен-медь установлены следующие зависимости ад- гезионной прочности и краевого угла смачивания от времени обработки в плазме тлеющего разряда (рис 2).
Снижение адгезионной прочности объясняют процессами деструкции, об- разованием низкомолекулярного слоя полимера.
При воздействии тлеющего разряда на электроды, возможно распыление последних, поэтому важным является подбор материала электрода. В последнее
время обработку в тлеющем разряде часто совмещают с плазмохимическим осаждением покрытий на поверхности изделий. В этом случае процесс называ- ют плазмохимической обработкой в среде полимеризующихся газов. Вводят в камеру, например, пары бензола, стирола, создают разряд и в результате на по- верхности осаждаются полимеризованные слои.
18
Часто совмещают обработку в тлеющем разряде и механическую обработ- ку. К физическим методам относится обработка в коронном разряде, воз- никновение которого обусловлено высокой неоднородностью электрического поля вблизи поверхностей с малым радиусом кривизны. Обработка проводится в атмосфере воздуха, азота, аммиака, инертного газа, водорода, углекислого га- за и т.д. Данная обработка характеризуется исключительно высокой производи- тельностью, скорость перемотки при обработке пленки составляет до 100 м/мин. Коронирующие электроды, имеющие малый радиус кривизны, разме- щают на расстоянии 3-5 мм от обрабатываемой поверхности и подают на него отрицательный потенциал 10-50 кВ. Эффективность обработки резко возраста- ет при использовании высокочастотного напряжения. Иногда в разрядный про- межуток вводят плазмополимеризующие газы, в этом случае на поверхности обрабатываемой детали образуются тонкие пленки. Основной механизм акти- вации – зарядка поверхности. В ряде случаев наблюдается электрическая эро- зия поверхностных слоев. В зоне эрозии материал часто окисляется, что в ряде случаев способствует повышению адгезионной прочности наносимого на его поверхность покрытия.
При обработке деталей из полиэтилена, полипропилена часто используется газопла- менная обработка. Активационный эффект достигается в результате воздействия пламени ацетиленовой горелки на обрабатываемую поверхность. Обработка производится, как прави- ло, в кислородсодержащей среде. В поверхностных слоях активно протекают процессы окисления, структурирования.
Высокой технологичностью характеризуется ультразвуковая очистка, за- ключающаяся в воздействии на поверхность ультразвуковых колебаний, созда- ваемых в жидкой среде. Для создания УЗ-колебаний используются устройства, основным элементом которого является магнитно-стрикционный излучатель.
Механизм обработки заключается в протекании на поверхности процес- сов кавитационной эрозии, которые протекают вследствие возникновения в
жидкости областей с низким давлением. Ультразвуковую очистку, как правило, используют в сочетании с механическими и химическими методами. Ультра- химическая обработка имеет место, если в качестве технологической среды, в которой возбуждаются колебания, используются органические растворители и щелочные растворы. Ультраабразивные методы реализуются в случае, когда в жидкую среду добавляют высокодисперсные твердые частицы, имеющие раз- мер 5-10 мкм. Размер этих частиц должен быть меньше размеров кавитацион- ных пузырей.
На практике используют ультразвуковые колебания с частотой 18-20 кГц, в качестве рабочей среды применяют смесь глицерина (50%) и воды (50%), в которую добавляют 30-40% по массе карбида бора. Продолжительность обра- ботки 15-20 мин. Ультразвуковым методом очень эффективно производить снятие заусениц, удаление загрязнений.
19
Лекция 3. НАНЕСЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ. НАНЕСЕНИЕ ПОКРЫТИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ. МОНОЛИТИЗАЦИЯ ПОКРЫТИЙ.
Полимерные покрытия, наносимые на поверхность твердого тела, используют- ся для повышения служебных свойств изделий. В зависимости от природы и толщины полимерного слоя, технологии нанесения , они могут быть применены в качестве:
-защитных (полимерные материалы обладают высокой химической стойкостью по отношению к кислотам, щелочам, полимерное покрытие имеет высокую сплошность и адгезию к основе);
- антифрикционных и износостойких;
- диэлектрических, электроизолирующих;
- декоративных;
- оптических (просветляющих или антибликовых).
Полимерные покрытия достаточно часто используются также как адгезионно-активные и электропроводящие слои, клеи.