Đánh giá hiệu suất lớp phủ trong kiểm soát chất lượng vật liệu

Trong nghiên cứu này, các phép đo góc tiếp xúc và sức căng bề mặt của lớp sơn lót ô tô (đã được xử lý) và lớp sơn nền (chất lỏng) tương ứng được sử dụng để tạo thành một mô tả hoàn chỉnh về hệ thống lớp phủ/chất nền. Phân tích được trình bày bao gồm các giá trị được tính toán từ các phép đo trên, tức là năng lượng tự do bề mặt , (với các phân số phân cực và phân tán), công của độ bám dính, hệ số lan truyền , sức căng bề mặt và “thấm ướt”. Kết quả cho thấy chất phụ gia polyacrylate biến đổi macrome polyether đã được sử dụng như thế nào để tối ưu hóa khả năng phủ lên chất nền.

Khái quát

Mối quan tâm đến việc sản xuất các vật liệu ‘thông minh’, có giá trị cao hơn đã tăng mạnh trong thập kỷ qua. Trong quá trình sản xuất các vật liệu như vậy, lớp phủ chức năng thường được sử dụng để tăng cường có chọn lọc các đặc tính nhất định hoặc thậm chí cho phép phản ứng theo tình huống. Do đó, một loạt các lớp phủ đã được phát triển cho nhiều ứng dụng, bao gồm tự làm sạch, chống ăn mòn, chống vi khuẩn, chống ma sát, thân thiện với môi trường, siêu kỵ nước/ưa nước và kỵ dầu/ưa dầu, v.v. Trong thời gian gần đây, các vật dụng hàng ngày kết hợp nhiều lớp phủ chức năng vào thiết kế của chúng ngày càng trở nên phổ biến. Khi độ phức tạp của các vật liệu tổng hợp nhiều lớp này tăng lên, thách thức trong việc đảm bảo khả năng tương thích giữa mỗi lớp phủ cũng tăng theo. Vì tất cả các lớp được kết nối với nhau (trực tiếp hoặc gián tiếp), nên việc xem xét cái gọi là “chuỗi tương thích” trong sản phẩm cuối cùng thường rất hữu ích.

Trong công nghiệp, các lớp phủ khác nhau thường được lấy từ các nhà cung cấp khác nhau và thường được thiết kế trên các nền tảng khác nhau, tức là gốc nước và gốc dung môi. Vì vậy, chất phụ gia thường được sử dụng để tối ưu hóa các đặc tính và duy trì chuỗi tương thích.

Cấu trúc của lớp phủ nhiều lớp

Việc xác định các chất phụ gia thích hợp nhất để sử dụng với số lượng chính xác có thể rất khó và thường bao gồm quá trình thử và sai tốn thời gian. Việc sử dụng các phương pháp đo phù hợp giúp dự đoán khả năng thấm ướt và khả năng phủ dễ dàng hơn, từ đó giảm đáng kể chi phí và thời gian cần thiết để điều chỉnh lại.

Trong ngành công nghiệp ô tô, hệ thống phủ nhiều lớp là tiêu chuẩn và đã phổ biến được một thời gian. Ví dụ (Hình 1), lớp phủ nhúng catốt (lớp phủ CED) lần đầu tiên được áp dụng cho bộ phận thép trần. Sau đó, một lớp sơn lót được thêm vào, tiếp theo là lớp sơn nền có sắc tố (để đạt được màu sắc mong muốn). Cuối cùng, lớp sơn trong suốt tạo ra lớp sơn hoàn thiện như mong đợi (độ bóng, độ chảy, độ mài mòn, kết cấu, v.v.) [5]. Trong trường hợp sơn lót / khả năng tương thích của lớp sơn nền, việc tăng năng lượng tự do bề mặt của lớp sơn lót đã đóng rắn thường được yêu cầu để tạo điều kiện cho khả năng phủ tốt. Theo kiểu truyền thống, điều này rất khó đạt được, tuy nhiên, những phát triển gần đây cho thấy điều này có thể được giải quyết bằng cách sử dụng polyacrylate biến đổi macrome polyether.

Các thông số phân tích bề mặt mô tả khả năng tương thích giữa các lớp phủ

Cơ sở để có khả năng phủ tốt là đặc tính thấm ướt của hai lớp (tức là hệ chất nền – chất lỏng). Trong đó, sức căng bề mặt (SFT) và các phép đo góc tiếp xúc của lớp phủ và chất nền tương ứng được sử dụng để tạo thành một mô tả hoàn chỉnh về hệ thống. Điều này cũng bao gồm các giá trị được tính toán thông qua các phép đo nói trên, bao gồm năng lượng tự do bề mặt (SFE), với các phân số phân cực và phân tán, công bám dính (WoA), hệ số lan truyền , sức căng bề mặt (IFT; thường được gọi là “năng lượng bề mặt”) và ” tính thấm ướt”.

Người ta chú ý nhiều đến việc đánh giá mối quan hệ của lớp phủ với độ bám dính, nghĩa là xu hướng của lớp phủ và chất nền tiếp xúc với nhau. Để làm được điều này, người ta thường xem xét WoA giữa chất nền và lớp phủ. Khả năng phủ mô tả mức độ dễ dàng tương đối của chất nền có thể được phủ bởi chất lỏng. Giống như độ bám dính, khả năng đánh giá nhanh chóng và dễ dàng khả năng phủ lên bề mặt là một công cụ quan trọng để phát triển và hình thành vật liệu phủ.

WoA mô tả sự cân bằng của các lực tác động tại giao diện, cụ thể là SFT, SFE và IFT. SFT và SFE có thể được mô tả như một thước đo mức độ tăng diện tích bề mặt bất lợi tương ứng đối với chất lỏng và chất rắn. Do đó, WoA có thể được coi là thước đo mức độ phản đối tách biệt của hai pha tại một giao diện. Theo cách này, IFT thể hiện sự giảm thiểu sự đối lập này do bất kỳ sự không phù hợp nào về mặt hóa học của hai vật liệu, tức là tỷ lệ phân cực/không phân cực của chúng. Nói cách khác, WoA cao hơn có xu hướng cho thấy khả năng phân tách ở giao diện thấp hơn.

Vì WoA về cơ bản mô tả khả năng lớp phủ bong ra khỏi bề mặt nên giá trị này thường được sử dụng như một yếu tố dự báo hiệu suất lớp phủ nói chung. Cách tiếp cận này thường hoạt động tốt, tuy nhiên vẫn có những hạn chế. Cụ thể, các giá trị WoA không cho chúng ta biết gì về kích thước của SFT và SFE so với nhau.

Các thử nghiệm

Mẫu và sự chuẩn bị mẫu

Là mẫu rắn, các tấm thép không gỉ lần đầu tiên được phủ một lớp sơn lót gốc dung môi điển hình dành cho ô tô. Đối với hai trong số ba mẫu, dung dịch mồi được biến tính bằng cách thêm 0,1% thể tích. BYK-310 và 0,3% vol. BYK-3560, tương ứng. Sau khi được phủ, mỗi mẫu được xử lý ngoài trời trong 20 phút ở nhiệt độ 140°C và sau đó phủ một lớp sơn nền gốc nước màu đỏ. Mẫu được thi công bằng dụng cụ phun với độ dốc từ 0 µm – 20 µm trên chiều dày lớp phủ khô. Điều này tạo ra hiệu ứng chuyển màu, trong đó độ dày lớp sơn nền tăng theo chiều dọc theo từng mẫu từ 0 µm đến 20 µm. Sau khi sơn lớp nền, cả ba mẫu đều được chụp ảnh và hiệu suất lớp phủ tương đối (độ che phủ, phân bố, màu sắc) được kiểm tra bằng mắt.

Đánh giá đo góc tiếp xúc và sức căng bề mặt 

Sau khi xử lý lớp sơn lót nhưng trước khi phủ lớp sơn nền, các phép đo góc tiếp xúc được thực hiện trên từng mẫu bằng cách sử dụng KRÜSS DSA100 với 5 chất lỏng thử nghiệm khác nhau từ phân cực đến không phân cực. Các đặc tính SFE, bao gồm các thành phần phân cực (p) và phân tán (d) của (các) chất rắn và chất lỏng (l), sau đó được tính toán theo mô hình OWRK [8-10]:

trong đó σ_ls , σ_l và σ_s lần lượt biểu thị IFT, SFT và SFE.

Tổng sức căng bề mặt tĩnh của lớp sơn nền được xác định bằng Máy đo sức căng bề mặt KRÜSS – K100 thông qua phương pháp vòng Du Nuöy.

Sau đó, Máy đo góc thấm ướt KRÜSS – DSA100 đã được sử dụng để đo góc tiếp xúc của cùng một lớp sơn nền trên nền phẳng, đồng nhất, không phân cực của SFE đã biết (PDMS – Sylgard184). Trong trường hợp không có tương tác phân cực, mô hình OWRK có thể được đơn giản hóa để tạo ra phần không phân cực của SFT của lớp sơn nền. Sau đó, thành phần sức căng bề mặt phân cực được tính toán thông qua mối quan hệ đơn giản.

trong đó σ ^tổng , σ^p và σ^d lần lượt biểu thị các thành phần SFT tổng, phân cực và phân tán.

Tất cả các phép xác định SFE và SFT nêu trên được phần mềm KRÜSS ADVANCE thực hiện tự động ở chế độ sessile drop.

Sử dụng SFE và SFT làm đầu vào, công cụ Phân tích độ bám dính của phần mềm ADVANCE tự động tính toán các giá trị và biểu đồ iso cho sự bám dính (WoA), sức căng bề mặt (IFT), hệ số trải rộng (S) và góc tiếp xúc lý thuyết của tất cả lớp phủ nhất định /sự kết hợp cơ chất.

Kết quả

Đánh giá trực quan kết quả SFE/SFT đối với mẫu Đối chứng và BYK-310

Để nghiên cứu hiệu suất tương đối của chất phụ gia sơn lót BYK-310 với công thức sơn nền cụ thể, các tấm thử nghiệm đã được thực hiện bằng cách áp dụng một lớp sơn lót tiêu chuẩn có cả phụ gia (BYK-310) và không có (Kiểm soát) cho nền thép. Sau khi thi công, lớp sơn lót được xử lý để tạo thành một chất nền rắn. Lớp sơn nền (màu đỏ) đã chọn sau đó được phun phủ lên lớp sơn lót hiện đã đông cứng. Trong quá trình thi công, độ dày lớp sơn nền thay đổi từ trên cùng (~0 µm) xuống dưới (~20 µm) cho mỗi mẫu.

Khi kiểm tra trực quan các tấm thử nghiệm được phủ đầy đủ (Hình 2), có thể thấy ngay rằng việc bổ sung 0,1% BYK-310 có ảnh hưởng bất lợi đến khả năng phủ của công thức sơn lót cụ thể này, ngay cả ở độ dày lớp phủ tương đối cao. Điều đáng chú ý là, trong trường hợp này, khả năng phủ có liên quan đến hiệu suất của cặp sơn lót/sơn nền cụ thể đã được thử nghiệm và được cho là không đúng về mặt tổng thể.

Để giải thích rõ hơn, hoạt động tại bề mặt tiếp xúc của lớp sơn lót/sơn nền, SFE của cả hai lớp sơn lót đã được xử lý, tức là ở trạng thái rắn, được xác định thông qua các phép đo góc tiếp xúc , cũng như các đặc tính SFT của lớp sơn nền (Bảng 1).

Dữ liệu lớp phủ

Dữ liệu nền

Bảng 1: Dữ liệu SFT (trên) và SFE (dưới) của lớp sơn nền và hai mẫu thử tương ứng. Các thành phần cực (p) và phân tán (d) cũng được biểu thị, với độ phân cực tổng thể được tính bằng %

Xem xét các giá trị trong Bảng 1, rõ ràng là việc bổ sung BYK-310 có tác động gần như không đáng kể đến tổng SFE của lớp sơn lót đã xử lý. Một nguyên tắc nhỏ thường được sử dụng để đánh giá các trạng thái hiệu suất của lớp phủ, “nếu tổng SFE của chất nền bằng hoặc lớn hơn tổng SFT của chất lỏng thì sẽ đạt được khả năng thấm ướt tốt”.

Sử dụng dữ liệu trong Bảng 1, có thể phân biệt giữa hai mẫu dựa trên tỷ lệ phân cực/phân tán, tuy nhiên, không làm rõ được chất nền nào sẽ mang lại hiệu suất tốt hơn. Do đó, chúng ta có thể kết luận rằng việc so sánh các đặc tính SFT và SFE của hệ thống lớp phủ/chất nền là không đủ để dự đoán khả năng phủ.

Đánh giá thêm các thông số liên quan đến độ bám dính cho mẫu Đối chứng và BYK-310

Riêng dữ liệu SFT và SFE là đủ để tính toán toàn bộ phạm vi tham số cấp cao hơn, cho phép mô tả chi tiết hơn về giao diện chất nền/lớp phủ mà không cần phải thu thập thêm bất kỳ dữ liệu nào. WoA, IFT và hệ số lan rộng (S) đặc biệt phù hợp để đánh giá hiệu suất lớp phủ. Bảng 2 trình bày các thông số về khả năng thấm ướt được tính toán cho các hệ thống Control/Basecoat và BYK‑310/Basecoat.

Phân tích độ bám dính

Bảng 2: Các giá trị WoA, IFT, S và góc tiếp xúc(lý thuyết) được tính toán cho cả sự kết hợp Control/sơn nền và BYK-310/sơn nền. Hình ảnh của từng mẫu thử nghiệm được đính kèm bên dưới 

Các giá trị WoA thường được coi là phương pháp mô tả đặc tính chung của lớp phủ; tuy nhiên, cách tiếp cận này có một số nhược điểm. Điều này thể hiện rõ khi so sánh các giá trị WoA của hai hệ thống sơn lót/sơn nền (Bảng 2). Mặc dù xu hướng ở WoA không phù hợp với khả năng phủ được quan sát nhưng các giá trị chỉ khác nhau 2,3%. Từ phân tích này, người ta có thể thấy cả hai hệ thống hoạt động tương tự nhau về mặt bám dính, nhưng rõ ràng điều này không cho chúng ta biết gì về khả năng phủ tương đối của hai chất nền.

Ngoài ra, mặc dù các giá trị IFT cho thấy sự khác biệt đáng kể hơn giữa mẫu Kiểm soát và mẫu BYK-310 nhưng xu hướng đang đi sai hướng, tức là IFT của hệ thống Kiểm soát cao hơn (cho thấy khả năng tương thích kém hơn) so với BYK-310. Điều đáng chú ý là trong ngành công nghiệp ô tô, giá trị IFT nhỏ hơn 1 mN/m sẽ chấp nhận được, như trường hợp của cả hai mẫu.

Hệ số lan rộng như một yếu tố dự báo đáng tin cậy về hiệu suất lớp phủ

Hệ số lan rộng của hệ thống lớp phủ/chất nền thường bị bỏ qua như một chỉ số về hiệu suất của lớp phủ. Tuy nhiên, trong trường hợp này, giá trị S của hai hệ thống dường như tuân theo khả năng phủ được quan sát tốt, cả về xu hướng chung và sự khác biệt tương đối (-144% khi bổ sung BYK-310).

Không giống như WoA, S là thước đo trực tiếp về mức độ cân bằng giữa các lực có lợi cho việc thấm ướt (SFE) và các lực có hại cho việc thấm ướt (SFT, IFT). Lợi ích của việc tính toán S so với so sánh trực tiếp SFE và SFT là ở đây sự cân bằng giữa công việc kết dính và cố kết tại bề mặt cũng như tỷ lệ phân cực/không phân cực của từng thành phần sẽ tự động được xem xét. Trên cơ sở đó, chúng tôi coi S có thể được sử dụng như một thông số vô giá để đánh giá hiệu suất của lớp phủ.

Việc sử dụng biểu đồ iso để thể hiện bộ hệ thống hoàn chỉnh, có liên quan với nhau có thể cực kỳ hữu ích. Bằng cách thể hiện thông tin một cách trực quan, có thể dễ dàng xác định được những yếu tố viên tốt nhất để phát triển hơn nữa. Hình 3 thể hiện biểu đồ iso như vậy cho hệ số lan rộng của lớp sơn nền được chọn cho Control và BYK‑310. Từ bố cục trực quan này, có thể thấy ngay rằng mẫu Kiểm soát có hiệu suất tốt hơn về khả năng lan truyền vì nó nằm gần đường S=0 hơn. Cũng có thể sử dụng biểu đồ iso như vậy để đánh giá những thay đổi cần thiết nhằm cải thiện khả năng phủ.

Phân tích một công thức mới được tối ưu hóa

Sử dụng nghiên cứu trên làm hướng dẫn, một công thức mồi mới đã được phát triển. Lần này, chất phụ gia polyacrylate biến đổi polyether-macrome, được chỉ định là BYK-3560, đã được sử dụng thay cho BYK-310. Vì tất cả dữ liệu liên quan về lớp sơn nền đã được ghi lại trước đó nên có thể thu được toàn bộ dữ liệu mới bằng cách đo SFE của lớp sơn lót mới sau khi đóng rắn.

Bảng 3: Các giá trị WoA, IFT, S và θ (lý thuyết) được tính toán cho cả ba sự kết hợp mẫu thử/sơn nền. Hình ảnh của từng mẫu thử nghiệm được đính kèm bên dưới mỗi cột 

So với mẫu Đối chứng, chất nền BYK-3560 mới cho thấy sự gia tăng rõ rệt về SFE tổng và phân cực, trong khi SFE không phân cực ít nhiều giữ nguyên. Sử dụng biểu đồ iso trong Hình 3, có thể ước tính ngay rằng việc tăng SFE cực như vậy sẽ mang lại giá trị S lớn hơn khoảng 200% so với giá trị của Hệ thống điều khiển. Thật vậy, các tính toán tiếp theo của các tham số khác nhau cho thấy S tăng hơn 185%. Điều đáng nói là WoA của hệ thống này đã tăng lên đáng kể so với hệ thống Control và BYK-310, cho thấy độ bám dính lớp phủ/nền cao hơn cho công thức sơn nền đã chọn. IFT của hệ thống BYK-3560, mặc dù được cải thiện so với điều khiển, nhưng lại rất giống với hệ thống BYK-310.

Sau khi xác nhận chất nền BYK-3560 là mẫu đối chứng có thể cải thiện khả năng phủ của lớp sơn nền, chất nền đã đóng rắn sau đó được phun phủ theo cách tương tự như các mẫu khác. Trong trường hợp này, việc kiểm tra trực quan mẫu đã cho thấy lớp phủ nền được cải thiện đáng kể, phù hợp với giá trị được cải thiện của S. Đáng chú ý nhất là hiệu suất được cải thiện cho phép lớp phủ mẫu hoàn thiện hơn ở độ dày lớp phủ thấp hơn. Điều này lại đòi hỏi phải sử dụng ít lớp sơn nền hơn, từ đó nâng cao hiệu quả của quá trình phủ và giảm chi phí.

Tóm tắt

Việc bổ sung 0,1% BYK-310 vào lớp sơn lót ô tô cho thấy hiệu suất lớp phủ (khả năng phủ) giảm đáng kể về mặt hình ảnh đối với lớp sơn nền ô tô thông thường. Sử dụng các giá trị thu được từ phép đo góc tiếp xúc và sức căng bề mặt , các tham số độ ẩm của độ bám dính (WoA), sức căng bề mặt (IFT) và hệ số lan rộng (S) của hệ thống này khi được xác định và mô tả đầy đủ về hệ thống lớp phủ-chất nền đã được tạo ra . Khi so sánh, cả WoA và IFT đều không phải là chỉ số đầy đủ về khả năng phủ sóng quan sát được của hệ thống khi có hoặc không có BYK-310. Ngược lại, sự khác biệt về S của hai mẫu rõ ràng hơn nhiều và cung cấp chỉ số định lượng rõ ràng hơn về khả năng phủ.

Theo phân tích trên, công thức thứ ba được điều chỉnh theo hướng hiệu suất tốt hơn với lớp sơn nền cụ thể này, lần này sử dụng chất phụ gia polyacrylate biến đổi polyether-macrome (BYK-3560). Trong trường hợp này, việc bổ sung 0,3% BYK-3560 giúp cải thiện đáng kể khả năng phủ lên bề mặt. Khi kiểm tra các thông số về độ ẩm của hệ thống này, người ta nhận thấy WoA đã tăng đáng kể sau khi bổ sung BYK-3560 và đáng chú ý nhất là S tăng 185% so với mẫu Đối chứng. Điều này lần lượt tạo điều kiện thuận lợi cho việc phủ đầy đủ chất nền ở độ dày lớp nền thấp hơn. Việc sử dụng sơn lót chứa BYK-3560 đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc cải thiện khả năng phủ của một công thức sơn nền cụ thể so với sơn lót ô tô thông thường. Là kết quả trực tiếp của hiệu suất được cải thiện, có thể đạt được độ thấm ướt bề mặt ở độ dày lớp nền thấp hơn.

Điều này chứng minh cách phân tích độ bám dính trở thành một công cụ hiệu quả để hướng dẫn phát triển các cặp sơn lót/sơn nền mới hoặc hỗ trợ khắc phục sự cố các vấn đề về lớp phủ.

Viết tắt

Ký hiệu

Nguồn: https://www.kruss-scientific.com/en/know-how/application-reports/ar296-predicting-coatability

Minh Khang là nhà phân phối và nhập khẩu trực tiếp các thiết bị đo góc tiếp xúc hãng Kruss.