VLIV ZMĚNY DRSNOSTI POVRCHU NA PŘILNAVOST ORGANICKÝCH POVLAKŮ INFLUENCE OF THE CHANGE OF THE SURFACE ROUGHNESS ON ADHESION OF ORGANIC COATINGS Filipová Marcela 1, Podjuklová Jitka 2, Siostrzonek René 3 1 VŠB TU Ostrava, Fakulta strojní katedra mechanické technologie 345, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava Poruba, ČR, email: FilipovaMarcela@seznam.cz 2 VŠB TU Ostrava, Fakulta strojní katedra mechanické technologie 345, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava Poruba, ČR, email: jitka.podjuklova@vsb.cz 3 VŠB TU Ostrava, Fakulta strojní katedra mechanické technologie 345, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava Poruba, ČR, email: rene.siostrzonek.st@vsb.cz Abstrakt Velký vliv na kvalitu ochranného povlakového systému má povrchová úprava podkladového materiálu. Příspěvek je zaměřen na studium vlivu povrchové úpravy podkladového materiálu na přilnavost aplikovaného ochranného povlaku se zaměřením na ocelový podkladový materiál. Experimentální práce jsou zaměřeny na hodnocení změny drsnosti povrchu vlivem korozního napadení ve třech různých korozních prostředích v různých časových intervalech, a vliv tohoto napadení na přilnavost ochranného povlakového systému včetně matematického vyjádření změny drsnosti povrchu i změny přilnavosti nátěrového systému v závislosti na působení korozních prostředí. Přínosem příspěvku je nalezení optimální časové prodlevy mezi ukončením úpravy povrchu před aplikací nátěrového systému a vlastní aplikací zpracované do matematického modelu. Po všech povrchových úpravách před aplikací ochranného povlaku má povrch vysokou reaktivitu a tímto se velice rychle pokrývá oxidickou vrstvou. Proto je důležité nalezení vhodného intervalu mezi ukončením povrchové úpravy a aplikací ochranného povlakového systému. Ochranný nátěrový systém by měl být aplikován maximálně do dvou hodin od mechanického očištění povrchu. Výsledná přilnavost nátěrových systémů je závislá na podmínkách, kterým je podklad před a při aplikaci nátěrových systémů vystaven. Abstract Surface treatment of a background material has big influence on a quality of the protective coating. The contribution is focused on the study of influence of the surface treatment of background material on the adhesion of applied organic paint system, with a view to background material sheet iron. Experimental part is focused on classification of changes of the surface roughness owing to corrosive attack in three different corrosive environments in different time intervals, and influence of this attack on adhesion of the protective coating system including the mathematical formulation of changes of the surface roughness and changes of adhesion of paint system depending on impact of these corrosive environment. Scientific contribution of the contribution is the finding of the optimal time delay between finalization of the surface treatment and the application of the paint system presented in mathematical model. After of all surface treatment has surface high reactivity and herewith rise very quickly oxide layer. Therefore it is important the finding of the acceptable interval between finalization of the surface treatment and application of the protective coating system. 1
Protective paint system should be applied maximal two hours after mechanical surface treatment. Resulting adhesion of paint systems depends on conditions, that basis is exposed before and by the application of paint systems. 1 ÚVOD Povrchové úpravy materiálu se výrazně podílejí na kvalitě a konkurenceschopnosti finálního produktu. Jako průřezový technický obor se prolínají řadou výrobních odvětví od hutnictví a strojírenství přes chemický průmysl, elektrotechniku a elektroniku, stavebnictví, dřevozpracující průmysl, papírenský a obalový průmysl, sklářský a keramický průmysl až po výrobu dopravních prostředků. Představují zásadní způsob zhodnocení materiálu, například zhodnocení ocelového plechu v automobilové výrobě, funkční vrstvy na senzorech apod.. Jde o velmi perspektivní obor, protože správná povrchová úprava zajistí optimalizaci vlastností materiálů a je odpovědí na rostoucí nároky v oblasti kvality, funkčnosti, životnosti i ekologie. Ochrana podkladových materiálů použitím organických povlaků na bázi nátěrových hmot je nejběžnější a ekonomicky nejvýhodnější způsob ochrany výrobků před vlivem koroze. Podkladovým materiálem pro nátěrové systémy mohou být kovové i nekovové materiály, jako například ocel, litina, hliník, měď, pozinkovaný plech, dřevo, beton, sklovité povlaky, smalty atd. Pro kvalitu nanášeného povlaku a jeho dobrou přilnavost k podkladovému materiálu je důležitá zejména čistota povrchu podkladového materiálu, která je dána technologií opracování povrchu. Technologie opracování povrchu před aplikací povlaku má vliv na geometrii čistého povrchu, tj. na drsnost povrchu a kotvící profil. Očištěný povrch v kontaktu s okolním korozním prostředím intenzivněji reaguje za vzniku chemických sloučenin, které v závislosti na čase mění hodnotu drsnosti a kotvícího profilu povrchu. Tato změna může vést ke zhoršení přilnavosti používaných ochranných povlaků. To je charakteristické zejména pro aplikaci ochranných nátěrových systémů na kovové podklady v terénních podmínkách (mostní konstrukce, stožáry, velkoobjemové nádrže apod.). Příspěvek pojednává o vlivu změny parametrů drsnosti povrchově upraveného kovového podkladu mechanickou úpravou otryskáním, a dále o vlivu změny drsnosti na přilnavost aplikovaných organických povlaků. Změny jsou sledovány v různých korozních prostředích v závislosti na délce působení těchto prostředí. 2 ÚPRAVY POVRCHU MATERIÁLU PŘED APLIKACÍ POVLAKU Mezi tyto úpravy materiálu se řadí technologie, které zbavují povrch materiálu nečistot (olej, mastnota, rez, okuje, staré povlaky atd.) tak, abychom získali technicky nebo fyzikálně čistý povrch. Získání kovového povrchu o vysoké čistotě je velmi obtížné. Je to podmíněno neobyčejnou reaktivitou povrchových atomů, které se snaží slučovat se se vším, co je v jejich bezprostřední blízkosti za vzniku oxidických filmů. Jen u ušlechtilých kovů, jako je zejména zlato a platina, se nevyskytuje za normální teploty oxidický film, ale ani u nich nelze zanedbat adsorpci kyslíku. 2.1 MECHANICKÁ ÚPRAVA POVRCHU Mezi mechanické úpravy povrchu patří zejména otryskávání, broušení, kartáčování a omílání. Účelem úpravy povrchu materiálu je vytvoření požadované jakosti povrchu, tedy především: očištění povrchu od nečistot (rez, okuje, písek, grafit) vytvoření podmínek pro zakotvení povlaku vytvoření podmínek pro zvýšení korozní odolnosti povrchu vytvoření povrchu odpovídajícímu vzhledovým požadavkům zlepšení mechanických vlastností (pevnost, mez únavy) 2
2.1.1 Otryskávání V experimentu byla použita mechanická úprava povrchu otryskávání. Otryskaný povrch se vyznačuje velkou reaktivitou s okolním prostředím, tzn. že dochází ke snadné tvorbě tenkých oxidických filmů. Proto musí být doba mezi otryskáváním a nanášením povlaku co nejkratší, aby bylo docíleno dobré přilnavosti. 3 KOROZE POVRCHU MATERIÁLU Jedná se o znehodnocení materiálu vlivem chemického nebo fyzikálního působení prostředí, výsledkem těchto dějů je částečné nebo téměř úplné rozrušení materiálu. Korozi podléhají téměř všechny materiály. Jedná se tedy o vzájemné působení materiálu a prostředí za určitý čas. Pokud není dodržen pracovní postup a časová prodleva mezi ukončením přípravy povrchu a vlastním nanášením povlaku je dlouhá, pak povrch materiálu v kontaktu s okolním prostředí oxiduje, čímž se mění kotvící profil a drsnost povrchu. V tomto experimentu se zabýváme tím, do jakého časového intervalu je oxidace přípustná. 4 METODIKA EXPERIMENTÁLNÍCH PRACÍ Zkoušky prováděné na podkladu očištěném mechanicky otryskáním před aplikací povlaku Hodnocení čistoty povrchu (světelný mikroskop Neophot 2) Hodnocení čistoty povrchu dle ČSN 8501 Stanovení stupně korozní agresivity prostředí dle ČSN EN ISO 12944-2 Měření drsnosti povrchu dle ČSN EN ISO 4287 drsnoměr Mituoyo Surftest SJ-301 Stanovení kotvícího profilu indikátorem Mituoyo Zkoušky prováděné na aplikovaném povlaku Měření tloušťky nátěrového systému dle ČSN EN ISO 2808 Zkoušky přilnavosti nátěrových systémů na kovových i nekovových materiálech Odtrhová zkouška přilnavosti dle ČSN EN 24624 (ISO 4624:1978) Zkouška přilnavosti mřížkovou metodou dle ČSN ISO 2409 5 EXPERIMENTÁLNÍ ZKOUŠKY Základním krokem pro zaručení dobré přilnavosti nátěru je předúprava ocelového povrchu. Nejdůležitější je odstranění organických nečistot, solí a korozních zplodin. Povrchová úprava ocelového podkladu byla provedena otryskáváním. 5.1 CHARAKTERISTIKA VZORKŮ Ocelový podklad otryskaný čistota povrchu Sa 2½, původní průměrná drsnost povrchu Ra = 7,13 µm, Rz = 39,78 µm Nátěrový systém vodou ředitelná nátěrová hmota bez obsahu rozpouštědel pro vnitřní nátěry na bázi akrylátové disperze. Tento nátěrový systém je vhodný pro otryskanou ocel, litinové a pozinkované vzorky, které jsou vystaveny atmosférickému zatížení 3
5.2 CHARAKTERISTIKA KOROZNÍHO PROSTŘEDÍ Experimentální práce jsou zaměřeny na hodnocení změny drsnosti povrchu vlivem korozního napadení ve třech různých korozních prostředích v různých časových intervalech. Vzorky byly ihned po otryskání uloženy v korozních prostředích A, B, C (viz Tabulka 1) po dobu 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 24, 48, 72, 96 hodin. Každou hodinu byl odebrán jeden vzorek a byly změřeny parametry drsnosti. Tabulka 1: Table 1: Charakteristika korozních prostředí Characterization of corrosive environments Korozní prostředí A okolní prostředí B prostředí se zvýšenou teplotou a vlhkostí vzduchu C voda Stupeň agresivity dle ČSN EN ISO 12944-2 Teplota Relativní vlhkost vzduchu ph Korozní napadení po 96 hodinách C2 C3 22 C 25% Není viditelné C3 C4 27 C 60% Im1 18 C 7 Tloušťka korozní vrstvy dosáhla 80 µm 20 % plochy pokrývala bodová koroze 6 VYHODNOCENÍ EXPERIMENTÁLNÍCH ZKOUŠEK 6.1 DRSNOST POVRCHU Kvalita povrchu je obvykle hodnocena podle drsnosti. Drsnost povrchu charakterizují jednotlivé parametry drsnosti, zejména: Ra průměrná aritmetická úchylka posuzovaného profilu [µm] Rz největší výška profilu [µm] Rp největší výška výstupku profilu [µm] Rv největší hloubka prohlubně profilu [µm] Profil povrchu materiálu (viz Obr. 1) je získáván dotykovou metodou pomocí snímacího hrotu. Výstupek profilu Prohlubeň profilu X Obr. 1: Příklad profilu drsnosti 4
Fig. 1: Example of roughness profile Měření je provedeno přístrojem Mitutoyo Surftest SJ 301 dle ČSN EN ISO 4287, naměřené hodnoty byly zaznamenány do tabulek a průměrné hodnoty jsou vyneseny do grafů. Nastavení přístroje: měření probíhalo dle ISO 1997, λ c = 2,5 mm ( λ c filtr profilu definuje rozhraní mezi složkami drsnosti a vlnitosti). Je sledována změna drsnosti otryskaného povrchu v kontaktu s korozními prostředími v závislosti na délce působení těchto prostředí, viz Obr. 2, 3. Obr. 2: Fig. 2: Změna hodnot parametru drsnosti Ra u otryskaných vzorků exponovaných v korozních prostředích A, B a C v závislosti na čase Change of values of the roughness parameter Ra by blasting specimens exposed in corrosive environments A, B a C depending on time 5
Graf 3: Fig. 3: Změna hodnot parametru drsnosti Rz u otryskaných vzorků exponovaných v korozních prostředích A, B a C v závislosti na čase Change of values of the roughness parameter Rz by blasting specimens exposed in corrosive environments A, B a C depending on time Na vzduchu (A) nebyla koroze viditelná, ale i přesto se drsnost povrchu zvyšovala a to nejvýrazněji v průběhu prvních 24 hodin. Po 72 hodinách se začala drsnost povrchu snižovat. Prostředí se zvýšenou teplotou a vlhkostí vzduchu (B) bylo agresivnější a koroze po delším působení tohoto prostředí byla již viditelná, pokrývala přibližně 20% plochy vzorku. Drsnost povrchu se v průběhu prvních 12 hodin výrazně zvyšovala, během 48 hodin dosáhla maxima a začala se snižovat. Nejagresivnějším prostředím byla voda (C), zde byly vzorky pokryty korozí po celém povrchu po delším působení tohoto prostředí. Drsnost povrchu prudce vzrostla během prvních 3 hodin, poté prudce klesala. Po šesti hodinách byla drsnost povrchu dokonce nižší, než původní drsnost po otryskání a s postupem času dále klesala. 6.2 TLOUŠŤKA NÁTĚRU Před provedením experimentů a po vytvrzení nátěrů byla v souladu s ČSN EN ISO 2808 změřena magnetickou metodou tloušťka nátěrového systému na ocelovém podkladu. Hodnoty tloušťek nátěrového systému se pohybovaly od 90 µm do 110 µm. 6.3 ODTRHOVÁ ZKOUŠKA PŘILNAVOSTI Vliv změny drsnosti otryskaného povrchu se projevil na hodnotě přilnavosti nátěrových systémů, která byla hodnocena odtrhovou zkouškou dle ČSN EN 24624, viz Obr. 4. 6
Obr. 4: Fig. 4: Změna odtrhové pevnosti vodou ředitelného nátěrového systému aplikovaného na otryskaných plechách exponovaných v korozních prostředích A, B, C v závislosti na délce působení těchto prostředí Change of the pull strength (tenacity) of the water paint system applied on blasted specimens exposed in corrosive environments A, B, C depending on time Vlivem působení korozního prostředí A (okolní prostředí) na otryskané ocelové vzorky se přilnavost vodou ředitelného nátěrového systému v průběhu prvních 48 hodin výrazně nemění. Lze to vysvětlit tím, že toto prostředí je velmi suché, čímž dochází jen k velmi malému růstu korozních zplodin díky nízké vlhkosti vzduchu (relativní vlhkost vzduchu tohoto prostředí byla pouze 25%). V technické praxi se považuje nátěrový systém, který dosahuje odtrhové pevnosti 3 MPa za vyhovující. Po delším působení korozního prostředí A (okolní prostředí) se přilnavost NS snižuje. Vlivem působení korozního prostředí B (prostředí se zvýšenou teplotou a vlhkostí vzduchu), se přilnavost nátěrového systému v průběhu prvních 4 hodin výrazně nemění. Po čtyřech hodinách působení korozního prostředí se začíná projevovat vliv zvýšené teploty a vlhkosti vzduchu, kdy dochází k postupnému snižování přilnavosti nátěrového systému. Po 96 hodinách působení korozního prostředí D je přilnavost NS pouhých 0,5 MPa. Vlivem působení korozního prostředí C (voda), se přilnavost NS v průběhu prvních dvou hodin výrazně nemění, protože vzorky po dvou hodinách působení korozního prostředí pokrývá pouze tenká vrstva rzi (10 µm). Tuto vrstvu je NS schopen absorbovat. S postupem času koroze roste a nátěrový systém rychle ztrácí přilnavost k podkladu. Po osmi hodinách působení korozního prostředí (korozní vrstva 40 µm) je přilnavost pouhých 0,7 MPa, po 24 hodinách (korozní vrstva 80 µm) je přilnavost nulová. 7
6.4 MŘÍŽKOVÁ ZKOUŠKA Mřížková zkouška 5 Klasifikace mřížkové zkoušky 4 3 2 1 A (okolní prostředí) B (zvýšená vlhkost) C (voda) 0 C (voda) B (zvýšená vlhkost) A (okolní prostředí) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 24 48 72 96 Doba působení korozních prostředí A, B, C [hod] Obr. 5: Porovnání výsledků mřížkové zkoušky vodou ředitelného nátěrového systému aplikovaného na otryskaných vzorcích exponovaných v korozních prostředích A,B,C v závislosti na délce působení těchto prostředí Fig. 5: Confrontation of results of the cross cut test of the water paint system applied on blasted specimens exposed in corrosive environments A, B, C depending on time Z Obr. 5 vyplývá, že NS, který byl aplikován na otryskané vzorky exponované v prostředí A (okolní prostředí), má výbornou přilnavost k podkladu po celou testovanou délku působení tohoto prostředí. Řezy byly zcela hladké, žádný čtverec nebyl poškozen. Vlivem působení korozního prostředí B (prostředí se zvýšenou teplotou a vlhkostí vzduchu) se až po 72 hodinách působení tohoto prostředí objevovalo jen nepatrné poškození podél řezů a v místech, kde se řezy kříží. Vlivem působení korozního prostředí C (voda) se hodnota přilnavosti NS snížila již po 24 hodinách, po 72 hodinách byl nátěr poškozen podél řezů a při jejich křížení z 10%. 7 ZÁVĚR Po všech povrchových úpravách před aplikací ochranného povlaku má povrch vysokou reaktivitu a tímto se velice rychle pokrývá oxidickou vrstvou. Ochranný nátěrový systém by měl být aplikován maximálně do dvou hodin od mechanického očištění povrchu. Výsledná přilnavost nátěrových systémů je závislá na podmínkách, kterým je podklad před a při aplikaci nátěrových systémů vystaven. 8
LITERATURA [1] PODJUKLOVÁ, J. Speciální technologie povrchových úprav I. 1. Vydání, VŠB, Ostrava, 1994. [2] BARTONÍČEK, R. a kol. Koroze a protikorozní ochrana kovů. 1. vyd. Praha, 1966. 719 s. [3] MOHYLA, M. Technologie povrchových úprav kovů. 1. vyd. VŠB-TUO, Ostrava, 1995. [4] BUMBÁLEK, B., ODVODY, V., OŠŤÁDAL, B. Drsnost povrchu, SNTL, Praha, 1989, 340 s. [5] FILIPOVÁ, M. Studium vlivu povrchové úpravy podkladového materiálu na vlastnosti aplikovaných povlaků. Autoreferát disertační práce, Ostrava, 2006, 63 s. [6] ČSN EN ISO 12 944: Nátěrové hmoty Protikorozní ochrana ocelových konstrukcí nátěrovými systémy. Praha, ČNI, 1998 [7] ČSN EN ISO 8501: Příprava ocelových povrchů před nanesením nátěrových hmot a obdobných výrobků Vizuální vyhodnocení čistoty. Praha, ČNI, 1998 [8] ČSN EN ISO 8503: Příprava ocelových podkladů před nanesením nátěrových hmot a obdobných výrobků. Charakteristiky drsnosti povrchu otryskaných ocelových podkladů. Praha, ČNI, 1996 [9] ČSN EN ISO 4287: Geometrické požadavky na výrobky (GPS) Struktura povrchu: Profilová metoda Termíny, definice a parametry struktury povrchu. Praha, ČNI, 1999 [10] EN ISO 2808: Nátěrové hmoty stanovení tloušťky nátěru. Praha, ČNI, 2000 [11] ČSN EN 24 624 (ISO 4624): Nátěrové hmoty: Odtrhová zkouška přilnavosti. Praha, ČNI, 2003 [12] ČSN ISO 2409 Nátěrové hmoty: Mřížková zkouška, Praha, ČNI, 1993 9