В данной теории зародыш критического размера рассматривается как микро-
частица конденсированной фазы, имеющая наиболее высокую энергию Гиббса G (см. рис.5) и дальнейший его рост сопровождается снижением энергии, т. е. является наиболее вероятным процессом.
D G= D Gv 4πR
/3 - s 4πR2,
(3)
где
D Gv - удельная объемная свободная энергия;
s - поверхностная энергия; R- размер частиц.
Критическому размеру зародыша Rкр, как уже отмечалось, соответствует мак- симуму свободной энергии (рис.6).
D
Рис. 6. Зависимость свободной энергии Гиббса от размера зародыша.
Тогда для R=Rкр выполняется условие
Rk R
d (D G)/ d R=0.
После дифферецированя (3) получим выражение
зультате решения которого имеем Rкр= 2 s /D Gv.
- D Gv
|
+ 8 spRкр
= 0, в ре-
Оценки показывают, что при низких температурах, конденсации критиче- ский размер зародыша может составлять Rкр = (5¸10) 10-10м, т.е. несколько ато- мов. Термодинамическая теория предполагает непрерывное изменение поверх- ностной энергии и свободной энергии Гиббса. Для описания частиц малого размера это условие не всегда выполняется. По этой причине более строгой и универсальной является статистическая теория зародышеобразования. В дан- ной теории, исходя из параметров межатомного взаимодействия отдельных атомов, особенностей их поведения определяются вероятности роста и распада кластеров. К недостаткам данной теории можно отнести сложность расчета кластеров, состоящих из 6 и более атомов.
Зародышеобразование по флуктуационному механизму протекает в слу- чае, когда на поверхности подложки образуется адсорбционная фаза с плотно-
стью, превышающей критическую,
na ³ nкр. При этом флуктуация плотности
D n а ~ n а.
В общем случае критическая плотность адатомов зависит от природы мате- риала подложки, ее температуры.
При больших временах осаждения, когда на поверхности образуется равно- весная плотность адатомов, условие зародышеобразования имеет вид
na =
jta ³ nкр.
Тогда плотность потока, при которой протекает процесс зародышеобразования, может быть получена из условия
æ- U ö
j ³ n
t -1 expç a ÷
(4)
кр 0
è kT ø
Данное условие графически представлено на рис.7.
Рис.7. Область оптимальных режимов
конденсации.
Область конденсации
Анализ полученного выражения (4) показывает:
1) Существуют некоторые пороговые значения плотности потока падающих частиц jк, ниже которого зарождение конденсированной фазы не происходит.
2) Пороговое значение jк зависит от температуры; при снижении температуры поверхности подложки, пороговое значение jк снижается.
3)Аналогичные выводы можно сделать по отношению к температуре.
Максимальное значение температуры
Т к, при которой происходит конден-
сация, получило название критической температурой или температурой Кнуд-
сена. Значение Т к
зависит, в основном, от природы атомов металла, плотности
падающих частиц, состояния поверхности подложки. Наличие в падающем на поверхность потоке заряженных частиц, атомных ассоциатов (кластеров – час- тиц из нескольких атомов) способствует процессам зародышеобразования, т. к. увеличивается τа и снижается вероятность перехода частиц в газовую фазу.
В процессе дальнейшего осаждения атомов происходит рост образовавшихся зародышей. Присоединение атомов к зародышам, осуществляется двумя спо- собами:
1). Непосредственный захват атомов из газовой фазы. Данный перенос на на- чальных стадиях, когда размер зародыша мал, является не определяющим. Он доминирует на поздних стадиях роста островковой пленки. Доля атомов, при- соединяемых к зародышу таким путем, составляет:
-1
α =(N
SГ),
где:
-площадь зародыша;
N-плотность зародышей.
Осажденные на поверхности атомы в условиях проявления сильной связи их с поверхностью формируют купол частицы, определяют ее внешнюю форму (сферическую, эллипсовидную, пирамидальную или какую то другую).
2). Захват зародышем диффундирующих по поверхности подложки адсорби- рованных атомов.
Для характеристики процесса осаждения вводят в рассмотрение зону захвата зародыша - эффективный участок поверхности, при попадании на который, атом неизбежно конденсируется, т.е. захватывается зародышем. С учетом воз- можности роста зародышей по двум рассмотренным выше механизмам эффек- тивная площадь зоны захвата приближенно может быть оценена с помощью выражения
S » p (Rз
+ x)2.
Распределение плотности адатомов вблизи растущего зародыша представлено на рис. 10.
Рис. 10. Зависимость плотности адатомов от расстояния до зародыша
Для характеристики кинетики процесса осаждения атомов, вводят коэффици-
ент конденсации. Различают:
- мгновенный коэффициент конденсации:
K = jk;
j
jk =
j - j ; K =
j -j =1 -
j
j ;
j
где
jk - плотность потока атомов, присоединенных к растущим зароды-
шам в данный момент времени за дифференциально малый его промежуток;
j - плотность потока атомов, реиспаренных в газовую фазу с поверхно-
сти.
- интегральный коэффициент конденсации:
N
K å= K,
N
где
NK - число атомов, претерпевших конденсацию на поверхности в тече-
ние времени t;
N - число атомов, поступивших на поверхность за это же время t.
В общем случае, значение K зависит от плотности зародышей и средней пло- щади их зоны захвата:
где
K = Nз Sd,
N з - поверхностная плотность зародышей;
d - коэффициент, который учитывает перекрытие зон захвата.
Как правило, на поверхности неорганических материалов зародыши обра-
зуются мгновенно, и их плотность в процессе роста меняется незначительно.
При осаждении на поверхность полимерных материалов вследствие подвиж- ности адсорбционно-активных групп в поверхностном слое полимера плот- ность зародышей, как правило, возрастает в процессе осаждения. Характер из- менения плотности зародышей в процессе вакуумной металлизации полимеров сказывается на зависимости коэффициента конденсации от температуры по- верхности подложки. Отметим, что для неорганических материалов коэффици- ент конденсации при нагревании подложки уменьшается вследствие возраста-
ния вероятности реиспарения адатомов.
При осаждении атомов металла на поверхности ряда полимеров при T>Tст. (Tст –температура стеклования полимера) вследствие сегментальной подвижно- сти макромолекул на поверхности возрастает плотность активных центров, имеющих высокий потенциал взаимодействия и способных выполнять роль стоков адсорбированных атомов.
Как следствие этого при нагревании полимера имеет место возрастание коэф- фициента конденсации. При Т>Тmax преобладающим становится процесс тер- мической активации процесса реиспарения, и в результате наблюдается сниже- ние К. При высокой температуре полимера, когда происходит его плавление (Т
> Тпл), резко возрастает адсорбционная активность поверхности, имеет место диффузия адатомов в объем подложки и наблюдается повышение коэффициен- та конденсации.
Кинетика конденсации атомов металла в условиях непрерывной генерации на поверхности зародышей, например, при металлизации полимеров, может
быть описана в рамках релаксационно-диффузионной теории конденсации. В данной теории полимер рассматривается как система связанных между собой макромолекул. Движение кинетических элементов макромолекул, их сложный химический состав порождают неоднородность адсорбционных свойств по- верхности, их изменение во времени. Особый интерес представляет выход на поверхность участков макромолекул, которые обладают высокой активностью и способны при взаимодействии с адатомами металла достаточно стабильные комплексы. Эти комплексы можно рассматривать как потенциальные центры зародышеобразования конденсированной фазы.
Основное уравнение данной теории:
t
K = N 0
A (t) +
dN A (t - t) dt,
|
где
N 0 - плотность зародышей в начальный момент времени (t = t 0 = 0).
A (t) - площадь средней зоны захвата зародыша в момент времени t.
A (t - t) - площадь зоны захвата зародыша, образовавшегося через время t,
отсчитанное от начала процесса осаждения, и находящегося на поверхности
время
t - t.
Таким образом, первое слагаемое – эффективная (суммарная) зона захвата зародышей, образовавшихся в начальный момент времени, второе слагаемое описывает вклад в коэффициент конденсации процессов присоединения атомов к зародышам, которые образовались в процессе осаждения.
Приведенное выше релаксационное уравнение описывает изменение коэф- фициента конденсации в процессе осаждения и его зависимость от температуры поверхности подложки, плотности потока падающих на нее атомов.
В рамках релаксационно-диффузионной теории конденсации дано объясне- ние наблюдаемых при металлизации полимеров эффектов: селективное осаж- дение металлического покрытия на аморфных участках поверхности; влияние механических напряжений в поверхностных слоях на коэффициент конденса- ции; явление передачи через тонкие полимерные слои адсорбционной активно- сти подложки и другие.
Лекция 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫАКТИВАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ. МЕХАНИЧЕСКИЕ, ХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫОБРАБОТКИ. ФОСФАТИРОВАНИЕ, ОБРАБОТКА В ТЛЕЮЩЕМ И КОРОННОМ РАЗРЯДАХ.
Процесс нанесения покрытий практически всеми известными методами предполагает последовательную реализацию следующих основных этапов:
1. Очистку покрываемой поверхности от загрязнения, оксидных и годро- оксидных слоев и проведение активационной обработки (создание необходимо- го рельефа поверхности, зарядового состояния, нанесение промежуточного ад- гезионно-активного слоя и др.);
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-
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.
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:
|
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.
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.
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.
1.КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ НАНЕСЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ.
В зависимости от агрегатного состояния полимера, использующегося при фор-
мировании покрытия все методы условно разделяют на:
3. методы получения покрытий из полимерных порошков, пленок, пластин;
4. методы получение покрытий из полимерных суспензий.
5. Методы осаждения покрытий из газовой фазы.
Покрытия толщиной более 100 мкм получают методом плакировки (закрепле- ние пленки, пластин на поверхности), из порошков и паст. Порошковые поли- мерные покрытия имеют толщину от 100 до 1500 мкм и технология их нанесе- ния наиболее хорошо разработана. При этом особый интерес представляет воз- можность нанесения этими методами композиционных полимерных покрытий, которые в сравнении с однофазными материалами обладают рядом преиму- ществ.
Полимерные покрытия и порошковых материалов формируют с помощью сле- дующих технологических приемов:
а). Порошки переводят во взвешенное (псевдоожиженное) состояние, которое может быть реализовано следующими способами: вихревым; вибрационным; вибровихревым; механическим; электростатическим; комби- нированным. Они отличаются характером силового воздействия на частицы полимера. Наиболее технологичными являются электростатический и вихревой способы псевдоожижения и осаждения покрытий. Частицы полимера наносятся на поверхности и закрепляются на ней, как правило, путём плавления и образо- вания адгезионного соединения.
б). Полимерные частицы вводятся в газовый направленный поток, с помощью которого происходит их транспортировка до поверхности (происходит распы-
ление дисперсного материала). В зависимости от природы газодисперсного по-
тока различают следующие методы распыления: плазменный; пламенный; теп- лолучевой; струйный; электростатический.
в). Полимерные покрытия могут быть получены путём насыпания порошка по- лимера на поверхность и последующей его молитизации. Нанесение порошка
на поверхность осуществляют с помощью сита, центробежных сил (например, при нанесении на внутренние поверхности), прокаткой по слою порошка. Покрытия толщиной не более 100 мкм получают из паст, суспензий, растворов. Нанесение полимерного слоя из раствора осуществляется методами: окунание, полив, распыление, электрофорез, распыление в электромагнитном поле.
Тонкие покрытия (толщиной до 10 мкм) получают из разбавленных растворов и из газовой
фазы. В последнем случае методы получения условно в зависимости от механизма генера- ции газовой фазы разделяют на две группы:
1. Методы получения покрытий путём поверхностной полимеризации мономера. Иницииро- вание полимеризационных процессов осуществляется при действии потока электронов, ио-
нов, ультрафиолетового излучения на адсорбированные молекулы мономера.
2. Методы получения покрытий из активной газовой фазы, формируемой пу- тем диспергирования исходного полимера концентрированным потоком энер- гии (КПЭ). Под действием КПЭ происходит образование реакционно- способных летучих продуктов разрушения, которые, взаимодействуя с поверх- ностью, при определенных условиях могут образовывать покрытия. В качестве
КПЭ используют электроны, ионы, лазерное излучение.
2.НАНЕСЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Наиболее часто используемым на практике методом нанесения полимерных покрытий яв-
ляется электростатический метод. Он в сравнении с другими имеет следующие преимущест- ва:
1. Высокая производительность и технологичность;
2. Экономный расход полимерного порошка;
3. Возможность нанесения покрытий одинаковой толщины на поверхности сложной формы, многослойных и композиционных покрытий;
4. Возможность автоматизации процесса нанесения.
Электростатические методы нанесения полимерных покрытий предполагают реализацию следующих основных стадий процесса:
1. Электрическая зарядка дисперсных частиц полимера.
2. Перенос этих частиц из зоны зарядки на поверхность изделия.
3. Монополизация (оплавление) полимерного покрытия.
В общем случае электрозарядка полимерных порошков может осуществ- ляться следующими способами: контактным методом; поляризацией; ионной адсорбцией.
Контактная зарядка осуществляется при непосредственном контакте двух твердых тел. Контакт может быть и динамическим, в этом случае протекает трибоэлектризация. В зависимости от характера электризации, знака заряда при электризации материалы составляют так называемый трибоэлектрический ряд – это ряд, в котором впереди размещается материал, получающий положитель- ный заряд при трении с другими, размещенными в ряду после данного мате- риала.
Этот ряд следующий: шерсть, полиамид, вискоза, хлопок, натуральный шелк, поливиниловый спирт, лавсан, поливинилхлорид, полиэтилен, политетрафторэ- тилен.
Характер контактной зарядки может быть определен с помощью эмпириче-
ского правила Кена: положительный заряд при контакте получают те диэлек- трики, у которых более высокая диэлектрическая проницаемость.
Степень и характер электризации зависит не только от природы полимера, но и от температуры, наличия или отсутствия на поверхности адсорбированных слоев. При этом надо учитывать, что поверхность порошка, как правило, неод- нородна. Поэтому есть основания считать, что на поверхности полимерной час- тицы имеются области, содержащие различные по знаку заряды. Следователь- но, частицы полимера нужно рассматривать как объекты, имеющие избыточ- ный заряд и дипольный момент. Так как перенос частиц осуществляется, как правило, в неоднородных электрических полях, то данное обстоятельство ока- зывает значительное влияние на характер их движения.
Известно, что основным параметром, определяющим знак заряда при контакт- ной электризации, является работа выхода электронов. При этом адсорбция ки-
слорода на поверхности твердого тела всегда увеличивает работу выхода элек- тронов, а адсорбция влаги снижает эту работу. Работа выхода электрона доста- точно сложным образом зависит также от степени заполнения поверхности ад- сорбционной фазой.
При контакте одинаковых по природе тел также наблюдается их электризация. Известно, что если тело имеет более высокую температуру, то при контакте с телом такой же природы, оно получает преимущественно положительный за- ряд.
Наиболее значительны по своей эффективности процессы трибоэлектризации. В ряде случаев для интенсификации процессов электризации дисперсных час- тиц, на заряжающую поверхность подают напряжение 30-50 кВ.
Электризация поляризацией заключается в появлении поверхностного заряда при разме-
щении полимера во внешнее электрическое поле. Она особенно эффективна при зарядке по- лярных полимеров при относительно высоких температурах.
Электризация ионной адсорбцией реализуется, например, при обработке полимерных по- рошков в коронном разряде.
Полимерный порошок, нанесенный на по- верхность детали, удерживается на ней электростатическими силами. При опреде- ленной толщине покрытия, напряженность возникающего электрического поля может быть даже выше напряженности пробоя воздуха; в результате происходит электри- ческий разряд, нарушающий сплошность полимерного слоя. По этой причине толщи- на наносимого полимерного порошкового слоя относительно невелика.
Все известные устройства, с помощью которых осуществляют электростати- ческое осаждение полимерных покрытий, разделяют на камерные и струйные.
В камерных установках (рис. 1) зарядка полимерного порошка и его осаж- дение осуществляется, как правило, в замкнутом объеме. Под действием
механических колебаний, создаваемых электромагнитом, и поступающего через пористое дно воздушного потока происходит перевод полимерного порошка в псевдоожиженное состояние и одновременно - его зарядка. Де- таль, на поверхность которого наносится покрытие, заземляется и вносится в камеру. Под действием электрического поля, создаваемого между заря- жающим электродом и деталью, происходит перенос частиц полимера и их закрепление на поверхности.
|
В струйных устройствах образуется направленный поток заряженных частиц полимера с помощью специального распылительные устройства (пистолета). Часто металлическую деталь предварительно нагревают до температуры выше температуры плавления полимера 30-500 С.
Основной недостаток струйных установок – достаточно большая невосполнимая потеря порошка (до 25%).
3.МОНОПОЛИЗАЦИЯ (ПЛАВЛЕНИЕ) ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ. Закрепление полимера на поверхности, образование адгезионного соедине-
ния, как правило, достигается в результате его нагрева до температуры выше температуры плавления Тпл. В зависимости от режима нагрева полимерного порошка возможны следующие три варианта термообработки:
Полимер осаждается на холодную подложку, электростатическим методом, а затем нагревается до Т = Тпл.+ ( 30-50)0С
1. Поверхность предварительно нагревается до Т>Тпл и порошок осаждается на нагретую поверхность.
2. Деталь предварительно нагревается, осаждается покрытие и далее деталь еще раз подвергается термообработке при Т>Тпл.