Главная » Книжные издания

1 ... 44 45 46 47 48 49 50 51

оженный по центру, позволяет оператору наблюдать за деформа-ией покрытия и остановить индентор с появлением первых азрушений. Цифровой микрометр непрерывно показывает глу- 1ину вдавливания. В модели 229/Е привод индентора ручной, а в модели 225/Е - механический, причем скорость вдавливания составляет 0,2 мм/с.

I Адгезионное разрушение наблюдается в виде кольцевых трещин в верхней части деформированного покрытия и часто сочетаю щкхся с ними радиальных трещин. В этом случае делается вывод, что покрытие не выдерживает испытания. Этот тип разруЩений часто возникает внезапно. Когезионнос разрушение проявляется в виде четких отдельных трещин. В этом случае адгезия может быть хорошей, но когезионная прочность недостаточна для увеличения деформации. Этот тип разрушения не так очевиден, как адгезионный, и для его обнаружения необходимы тщательные наблюдения.

16.3.2. Испытания твердости

Может показаться, что испытания твердости не связаны с определением долговечности покрытий, так как общие механические свойства пленок рассмотрены в гл. 13. Однако здесь мы рассмотрим только некоторые из стандартных тестов. Во-первых, их можно применять для оценки степени отверждения покрытия, что оказывает сильное влияние на долговечность. В некоторых случаях изменение твердости в результате внешних воздействий дает возможность установить механизм процессов, протекающих при климатических испытаниях.

Разработано множество тестов для получения информации о твердости покрытий. Очень трудно определить абсолютное значение твердости; можно лишь утверждать, что это сложная функция механических свойств материала, связанная с сопротивлением его деформации. Это определение, однако, слишком простое, поскольку материалы бывают хрупкими, пластичными, эластичными и т. д., и понятно, что два материала, подвергающиеся под нагрузкой деформации в равной степени, могут отличаться в своем поведении после снятия нагрузки. Например, один материал может деформироваться непрерывно, а другой нет, т. е. первый подвергается пластической, а второй-эластической деформации. Технолог, как правило, имеет более прагматический взгляд на твердость, и поэтому он предпочитает простые, стандартные методы измерения твердости. Так, метод, связанный с измере нием свойств тонкой пленки на различных подложках, важен для установления влияния подложки на твердость пленки. Принято поэтому измерение твердости производить на твердых подложках типа стекла или стали путем действия давления на испытываемое покрытие.

Может возникнуть необходимость измерений твердости прямо на производстве, так что в некоторых случаях требуются простые тесты и портативное оборудование. Если это возможно, то всегда предпочтительнее лабораторное проведение испытаний при стан-дартных условиях и тщательной подготовке образцов.

Из многочисленных методов испытаний твердости с целы изучения долговечности покрытий наиболее распространенными методами являются измерения с помощью карандаша твердости, маятникового прибора и индентора. Последние два метода описаны в гл. 13, причем индентор 1CI может дать ценную информацию почти по любому типу пленок.

Метод измерения твердости с помощью карандаша используется чаще для свежих пленок не подвергшихся старению. Это один из простейших тестов на твердость. При испытаниях используют набор карандашей с различной твердостью как базис для сравнения. Так же, как геологи используют шкалу твердости Мора с^ четко определенным набором стандартных материалов, возможно использовать аналогичный путь определения твердости пленок с помощью условных значений твердости по карандашу, используя ряд специально разработанных реперных точек для карандашей различной твердости.

Карандаши используются как показано на рис. 16.1; выступающая часть грифеля имеет длину примерно 6 мм. Последний имеет цилиндрическую форму, а его кончик сточен тонкой абразивной бумагой. Угол нажима на поверхность - 45°, сила нажима должна быть максимальной, но чуть меньше требующейся для излома грифеля. Твердость покрытия соответствует твердости карандаша, который еще не повреждает покрытие. Метод хорошо воспроизводится. Карандаши используются с твердостями в диапазоне от 6В до 9Н. Если примерные характеристики краски известны, то работать со всем диапазоном карандашей нет необходимости. На твердость могут повлиять атмосферные условия (температура и влажность), поэтому все пленки должны подготавливаться, подвергаться старению и испытываться в одинаковых условиях.

Оригинальный метод Вольфа-Виборна, основанный на том же принципе, отличается только тем, что твердость. определяется

Рис. 16.1. Карандаш для определения твердости

Yfp самому мягкому карандашу, который уже оставляет след на поверхности.

Чуть лучшей воспроизводимости можно добиться с использованием специального держателя карандаша ( Erichsen Scratch Pencil Hardness Tester Model 291 ).

16.3.3. Стойкость к царапанию

Цель этого теста - оценить способность покрытия выдерживать царапание. Стальная игла определенного веса со сферическим кончиком опускается на поверхность пленки и протаскивается по поверхности с постоянной скоростью.

Метод применяется в лакокрасочной промышленности много лет и стандартизован (BS 3900: Part Е32 (Scratch)). Оценка результатов испытания дается по принципу: выдерживает или не выдерживает . Испытания проводятся с иглой определенного веса или с увеличением веса до тех пор, пока не наступит повреждение покрытия.

Лрибор состоит из горизонтальной движущейся плиты, на которой закреплена окрашенная пластинка покрытием вверх. Эта плита движется под иглой со скоростью 3-4 см/с. Сама игла состоит из стержня, к которому припаян стальной шарик диаметром 1 мм. Она зафиксирована в держателе на конце противовеса. Держатель нагружается гирями, и пластина приводится в движение. Игла аккуратно опускается на поверхность. Для испытания требуется длина царапания не менее 6 см.

Хотя для этого типа тестов возможны как ручные, так и электромеханические аппараты, последние предпочтительнее, так как дают более воспроизводимые результаты.

П,пастины готовят как описано ранее. Они могут быть стальными, оловянными или алюминиевыми, размерами 50X125 мм. Результаты оцениваются путем визуального осмотра.

16.3.4. Испытания на изгиб

Этот тип испытаний, применяющихся к покрытиям, которые могут подвергаться изгибу в результате соответствующего воздействия на подложку, очень широко распространен в промышленности.

Наиболее общим способом испытаний является изгибание подложки, на которую нанесено покрытие, вокруг цилиндрической оправки известного диаметра. Покрытие затем проверяется на растрескивание или потерю адгезии. Хотя обычно этот тест называют испытанием на гибкость, он является тестом комбинированным и включает испытание адгезии, гибкости и растяжимости. Одна из форм теста (британский стандартBS 3900 * Part El: 1966 .(Bend)) использует специальное шарнирное устройство, к кото-

рому присоединена цилиндрическая оправка, так что она может свободно вращаться вокруг специальной цапфы. Испытываемая пластинка с покрытием вставляется в зазор между оправкой и имеющимся клапаном окращенной стороной против направления изгибания. Шарнир приводит оправку в движение и пластинка огибается вокруг нее. Время изгиба - 1 -1,5 с. Покрытие осматривается сразу же после изгибания с целью выявления растрескивания и потери адгезии. Трещины ближе 6 мм к краю пластинки во внимание не принимаются. Тест проводится после двухчасовой выдержки покрытия при комнатной температуре. Применяется набор оправок диаметром 25, 19, 12,5, 10, 0,3, 5 и 4,2 мм. Измерения производят с постепенным ужесточением условий испытания, т. е. последовательно уменьшая диаметр оправки. Величина максимального диаметра, при которой наступит разрушение покрытия, -является показателем прочности на изгиб. Размер пластинки строго определен - 100X50 мм. Толщина - не выше 0,3 мм. Материал пластины - олово или алюминий.

Этот исключительно простой тест может быть очень информативен, так как он соответствует условиям эксплуатации многих покрытий. Он может дать информацию о применимости материалов, которые будут подвергаться воздействиям соответствующих внешних условий после их нанесения на окрашиваемое изделие.

Видоизменением этого метода является использование оправок, закрепленных на стальной опоре. Метод применяется для более толстых подложек, причем чем последняя толще, тем меньший диапазон диаметров оправок можно успешно использовать в этом тесте. Так, стальную пластину толщиной 0,45 мм можно успешно изгибать вокруг всех оправок, тогда как при толщине подложки 0,975 можно использовать только оправки диаметром более 8 м.м.

16.3.5. Адгезия (метод решетчатого надреза)

Адгезия является очень трудноизмеряемым, но в то же время важнейшим свойством покрытия. Используя метод решетчатого надреза, можно получить некоторые полезные эмпирические данные. В этом тесте матрица с рядом близко расположенных лезвий вдавливается в покрытие в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Второй раз вдавливание производится поверх первого вдавливания, в результате получается решетчатый надрез. Поверх него приклеивается кусочек липкой ленты, который затем резко снимается. Адгезия пленки оценивается по количеству удаленного при этом покрытия.

В тесте фирмы ICI матрица, изготовленная из закаленной углеродистой стали, содержит 9 параллельных лезвий шириной 1,5 и длиной 25 мм. Острие каждого лезвия имеет радиус 0,075- 0,1 мм. Матрица вдавливается в покрытие гидравлическим прессом

при усилии 140 атм. После получения отпечатка приклеивается лента (с использованием мягкого ластика). Лента выдерживается Ю с и затем резко отрывается под углом 120°. Адгезия считается хорошей, если отслоение покрытия невелико или отсутствует; умеренной - если имеет место некоторое отслоение, но маленькие частицы покрытия остаются на подложке в центре всех или большинства квадратов, получившихся при надрезе; плохой - если наблюдается почти полное отслоение покрытия.

Если нет подходящей матрицы и пресса, можно применить разновидность этого испытания с использованием скальпеля: прорезая им пленку до подложки получают аналогичную решетку. В некоторых случаях, при плохой адгезии, может наблюдаться некоторое отслоение пленки при надрезании до приклеивания липкой ленты. В этих случаях следует повторить надрез более тщательно в другом месте.

16.4. УСКОРЕННЫЕ КЛИМАТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ

Долговечность современных покрытий такова, что при воздействии естественных погодных условий они могут слабо разрушаться за время, превышающее 1 год (в некоторых случаях срок службы гарантируется до 10 лет). Чем больше долговечность покрытия, тем сложнее его испытать. Средства ускорения этих процессов искались многие годы, в результате разработан ряд стандартных методов ускоренных испытаний. Из этого не следует, что хорошая корреляция между результатами естественных и ускоренных испытаний достигается всегда, поэтому результатами последних всегда следует пользоваться с крайней осторожностью.

Разрушение органических покрытий при внешних воздействиях связано с влиянием излучения (особенно УФ-излучения), влажности и температуры. Процессы деструкции являются результа тами химических изменений (окисление) и механических нагрузок. В ускоренных климатических испытаниях используют методы интенсификации этих процессов таким образом, чтобы разруше ние пленки происходило в такой же степени, как и при естественных испытаниях, но за более короткое время. Для этих целей разработан ряд аппаратов искусственной погоды (везерометров), в которых при циклическом воздействии излучения и влажности достигаются заметные изменения покрытия при сроке выдержки до 2000 ч.

Тип везерометра и цикл испытаний может указываться потребителем лакокрасочной продукции, особенно в случае крупных потребителей, например автомобильных фирм. Часто это устанавливается по согласованию между изготовителем и потребителем; потребитель также может разработать и собственные тесты, которым должен соответствовать продукт.

Ряд таких везерометров находит широкое применение, например аппараты Марра, Атласа и др. Каждый из них ускоряет деструкцию покрытия, но результаты не всегда можно сравнивать. Прибор Марра соответствует британскому стандарту BS 3900: Part F3 и включает следующие циклы испытаний:

4 ч - влажные условия - распыление включено, вентиляция выключена; 2 ч - сухие условия - распыление выключено, вентиляция включена;

10 ч - влажные условия - распыление включено, вентиляция выключена; 2 ч - сухие условия - распыление выключено, вентиляция включена;

5 ч - влажные условия - распыление включено, вентиляция выключена; 1 ч - остановка - лля обслуживания аппарата и осмотра образцов.

Прибор состоит из круглой емкости с расположенным в центре источником излучения (1,6 кВт углеродная дуга). Окрашенные пластинки (размер 100X150 мм, подготовленные как и ранее) укреплены'по периферии внутренних опорных концентрических колец, которые медленно вращаются в процессе испытаний. Цикл -можеидамен-яхься-В-зависимости от различных-делей, но обычно включает чередующиеся периоды влажных и сухих условий испытания.

Везерометр Атласа XW соответствует ASTM Е42-57. В нем иcпoльзyюfcя несколько меньшие пластины (75 X 150 мм). Прибор сконструирован в виде прямоугольной кам'сры. Источник излучения - углеродная дуговая УФ-лампа. Здесь пластины облучаются непрерывно с периодическим трехминутным опрыскиванием водой через каждые 20 мин.

Прибор Атласа XWR предусматривает более жесткие испытания. Здесь применяется не содержащая светофильтра углеродная дуговая лампа с высоким процентом УФ-излучения. За циклом УФ-облучения (1 ч) следует орошение в темноте (1ч). Продолжительность теста определяет разработчик материала (обычно не более 1000 ч).

Везерометр QUV отличается от двух описанных выше тремя особенностями. В нем в качестве источника излучения используют флуоресцентные трубки, пластины закреплены в камере стационарно, и конденсация воды на пластинах происходит не от распыления, а от разности температур. В аппарате обеспечивается вращение флуоресцентных трубок, чтобы исключить различия в результатах испытаний в связи с малыми, но важными различиями мощности облучения.

Приборы типа QUV завоевали популярность для испытаний автомобильных эмалей и используются чаще, чем приборы Марра и Атласа XW, XWR. Воспроизводимость опытов требует обсуждения, однако результаты, которые дает прибор QUV, лучше согласуются с данными естественных испытаний. Как бы то ни было, результаты испытаний в аппарате типа QUV быстро становятся одним из критериев, которому должны соответствовать автомобильные эмали, особенно в Северной Америке.

I 16.4.1. Методы оценки: определение критериев

Покрытие, подвергшееся ускоренному или естественному старению, оценивается по изменению ряда свойств, таких как глянец и цвет, и по специфическим видам повреждений: а) меление; б) бронзирование; в) растрескивание; г) образование пузырей; д) отслаивание; е) коррозия подложки; ж) коррозия при нанесении надреза; з) эрозионное разрушение; и) образование пятен от воды; к) загрязняемость и грязеудержание; л) стойкость к заплесневению; м) меление пленки; н) выцветание. Эти термины определены в британском стандарте BS 2015 (1965).

В большинстве случаев делается визуальная оценка изменений и разрушений покрытия с использованием в некоторых случаях увеличительного стекла или микроскопа. Иногда измерения глянца или цвета проводятся инструментальными методами, но во многих случаях это несущественно. Сравнение, как правило, проводят с покрытиями, не подвергнутыми испытаниям. В большинстве случаев принимается оценочная шкала от О до 10. Так, при оценке глянца балл О показывает полное сохранение глянца, а балл 10 соответствует полностью матовой поверхности, т. е. показывает полную потерю глянца. При проведении оценок глянца обычно учитывается интенсивность отражения от пленки [1].

Изменение цвета может быть многообразно, и часто характер изменения так же важен, как и степень изменения цвета. Цвет может становиться темнее или блекнуть, становиться более мутным или более чистым. Выцветание может быть истинным или кажущимся. Например, меление создает впечатление выцветания, но в этом случае исходный цвет может быть восстановлен путем очистки поверхностного слоя и удалением покрытия, подвергшегося мелению. Помутнение приводит к увеличению серого оттенка, т. е. к потере чистоты цвета, что не обязательно связано с выцветанием. Специфические изменения цвета можно зарегистрировать путем сравнения со стандартом.

Оценку глянца и цвета можно проводить до и после протирания покрытия влажной тряпкой с последующей сушкой.

Меление определяется как образование рыхлого порошкообразного слоя на поверхности пленки, вызванное нарушением целостности связующего и обусловленное разрушающими факторами при климатических испытаниях . Мелению могут подвергаться покрытия любого цвета, но чаще встречается у покрытий пастельных тонов. В случае покрытий глубоких тонов, особенно синих и каштановых, меление дает эффект сильного блеска и называется бронзированием. Меление может быть легко вызвано, например, при воздействии на покрытие указательным пальцем. Кончиком пальца слегка надавливают на покрытие, и количество удаленного мелящего слоя сравнивают со стандартами. То же относится и к бронзированию. Растрескивание - это специфи

ческии случаи разрушения пленки, в котором трещины пронизывают по меньшей мере один слой покрытия и могут распространяться сквозь всю систему покрытия. Существует три типа растрескивания: а) микрорастрескивание, когда трещины видны в маломощный оптический микроскоп с увеличением в 16 или 32 раза;

б) незначительное растрескивание, когда трещины мелкие, но ясно видны невооруженным глазом; в) значительное растрескивание, когда эффект больше и сразу очевиден. Вид образца после растрескивания может быть различным: а) мелкие линейные, почти параллельные трещины; б) угол между трещинами неопределенный, а трещины могут объединиться в сплошную сетку;

в) гусиные лапы , где трещины расходятся лучами, напоминая по форме птичьи лапы; г) волосяные и структурные трещины (только для покрытий по древесине).

Все эти.:дефекты оцениваются согласно фотостандартам, где перечислено большинство из таких дефектов. Использование фото-стандартов для оценки образования пузырей уже упоминалось в связи с испытаниямихимической стойкости.

Дефекты отслаивания, ржавления и коррозии также оцениваются относительно фотостандартов. Эрозия подобна мелению, однако является более серьезным дефектом, так как может затронуть и нижележащие слои покрытия. Она может быть вызвана действием капель дождя, частиц гравия, принесенных ветром, или одновременным действием обоих этих факторов. Образование пятен от воды вызывается воздействием капель, в результате чего на поверхности покрытия остаются пятна более светлого тона, чем остальное покрытие. Пятна могут быть сплошными и отдельными. Этот эффект может оцениваться согласно фотостандартам. Загрязнение и плесневение поверхности покрытия чаще имеют место в естественных условиях, но не при ускоренных испытаниях. Грязь и плесень на поверхности покрытия могут присутствовать одновременно и чтобы различить их часто требуется использовать микроскоп с 16-кратным увеличением. Пластинки осматривают после протирания половины их длины мягкой влажной тканью; при этом не следует удалять грязь со второй половины. Плесень характеризуется паутиноподобными отростками, исходящими из темного центра. Остатки их видны даже после протирки, и обычно можно наблюдать повторный рост плесени на вымытом участке покрытия при дальнейших климатических испытаниях.

Внутреннее меление пленки - один из редких дефектов. Он выглядит подобно обычному мелению, но не удаляется при промывке. Эфлоресценция - это появление на поверхности покрытия по цементу или кирпичу порошкообразных отложений, вызванных миграцией водорастворимых солей через пленку и последующим испарением воды. В некоторых случаях осадок может сформироваться на верхней части любого покрытия, но обычно пленка отслаивается и разрушается из-за эфлоресценции под покрытием.

16.5. ЕСТЕСТВЕННЫЕ КЛИМАТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ

При воздействии на систему покрытия природной среды, вероятно, можно получить наиболее надежные данные по свойствам покрытия. Это верно в том случае, если будут приняты во внимание всевозможные изменяющиеся погодные факторы, которые могут оказать значительное влияние на поведение покрытия при испытаниях. Поскольку естественные испытания приводят к более медленной деструкции, чем ускоренные, особенно важно разработать такие экспериментальные методики, которые бы исключили ошибки при проведении испытаний в течение нескольких лет.

Требуется четкое ведение документации, так как испытания могут занять ряд лет, и за это время могут произойти изменения в составе обслуживающего персонала, т. е. персонал, начинавший испытания, и персонал, делающий выводы по результатам последних, может отличаться. Важным является выбор географической точки для испытаний. Если краска предназначается для использования в промышленном районе, например на металлургическом заводе возможно лучше испытывать пластины именно в таком районе, а не в сельском. С другой стороны, может быть полезным проводить испытания в таких местах, о которых известно, что в них происходит более быстрое разрушение покрытия, чем в местах его предполагаемого использования. Так, многие технологи считают, что районы Техаса и Флориды предпочтительнее в этом смысле, и что в этих районах старение покрытия происходит быстрее, чем в Англии. Это связано с более высокими уровнями УФ-излучения в этих местах, а также с большими перепадами температуры и влажности.

16.5.1. Выбор образцов для испытаний

Требования к пластинам для испытаний определяются не только их природой, но также и физической формой и методом изготовления. Наиболее часто используемые материалы для опытных пластин - это древесина, мягкая сталь, алюминий и некоторые виды каменных материалов, например асбоцементные плиты. Выбор зависит от назначения покрытия. Так, строительные краски могут испытываться на деревянных или каменных подложках, тогда как автомобильные эмали - только на стальных В некоторых случаях возможны исключения, например, для композиций, специально разработанных для защиты пластиковых упаковочных материалов, важно использовать соответствующую подложку. Древесина, вероятно, наиболее изменчивый материал среди всех подложек. Она анизотропна, подвержена изменениям в связи с изменениями температуры и влажности, особенно чувствительна к воде.

Большинство материалов испытывается на плоских образцах определенного размера. Время испытаний обычно от 3-6 мес. до 5 лет. Некоторые композиции с повышенной защитной способностью могут испытываться дольше. Методы оценки аналогичны методам, описанным для ускоренных испытаний (см. 16.4).

Многие годы для естественных испытаний декоративных покрытий применяли плоские пластины (размером 150X300 мм) из сосны высшего качества из Британской Колумбии, так как эти пластины дают хорошую воспроизводимость результатов и менее требовательны к условиям испытаний по сравнению с другими подложками. Однако в последнее время сделан ряд попыток по разработке других методов испытаний, более приближенных к реальным условиям эксплуатации покрытий. Например, разработан метод, основанный на испытании глянцевых покрытий на оконных рамах в домах. Дом ориентирован таким образом, что достигается максимальное облучение прямым солнечным светом. Температура и влажность внутри дома изменяются циклически, чем достигается юонденстия Jo.fi.ы на поверхности стекол и ее стекание на рамы. Метод имитирует наихудшие условия при использовании декоративных покрытий в доме, например в кухнях и ванных комнатах. Этот метод получения данных довольно дорог, поэтому многие работы посвящены созданию аналогичных методов испытаний, но другими путями. Так, Paint Research Association разработала камеры для естественных испытаний, аналогичные описанным выше, с той разницей, что стекло заменено на прямоугольные куски фанеры, но так же используются деревянные рамы.

Оба этих метода предназначены для изучения проблемы сохранения целостности пленки на стыках различных частей древесины, в которых волокна расходятся в разные стороны. Различия в величинах адсорбции или десорбции воды в зависимости от направления волокон значительны. Поперек волокон древесины водопоглощение может вызвать увеличение размеров подложки до 8%, а водопоглощение вдоль волокон -только до 1,0%. Эти пространственные изменения могут вызвать сближение или отдаление мест стыка между упомянутыми различными частями подложки. Таким образом, покрытие подвергается значительным механическим нагрузкам в местах стыка, и это - одна из главных причин разрушения пленки в таких участках.

Более простой метод для исследования таких эффектов предложен фирмой ICI. Ввиду его простоты и дешевизны мы рассмотрим его несколько подробнее.

16.5.2. Метод 1CI для испытания столярных секций

В основе метода используется подход, предусматривающий создание таких же жестких условий испытаний, с которыми можно

1 ... 44 45 46 47 48 49 50 51