بررسی و رفع چالش های پوشش های آب پایه ی مناسب برای اعمال مستقیم روی سطوح فلزی (DTM)

بسپار/ ایران پلیمرپوشش­هایی که به طور مستقیم بر روی فلز اعمای می­شوند و یا به اصطلاح پوشش­های (Direct to metal) DTM، علاوه بر محافظت از فلزات در برابر خوردگی، به عنوان پوشش رویه برای آن­ها کاربرد دارند. پوشش­های DTM آب­پایه برای کاربردهای کم تنش مانند فضاهای داخل ساختمان و یا فضاهای خارجی با میزان آلودگی کم مورد استفاده قرار می­گیرند. همچنین برای کاربردهای دیگری مانند لوله­ ها، مخازن، درهای فولادی و غیره نیز به کار می­روند. پوشش­های DTM نسبت به پوشش­های چندلایه (شامل لایه­ ی آستری و لایه­ ی رویه)، از نظر زمان و هزینه به صرفه ­تر هستند. این پوشش­ها برای اعمال به آماده سازی سطحی زیادی نیاز ندارند، در یک مرحله اعمال می­شوند و بدون استفاده از رنگدانه ­های فعال، عملکرد حفاظت در برابر خوردگی را انجام می­دهند. پوشش­های DTM آب پایه ی آکریلیکی می­توانند براقیت بالایی (بیش از 80 در زاویه­ی 60 درجه) نشان دهند و علاوه بر ظاهر خوب، محافظت خوبی نیز در برابر خوردگی ایجاد می­کنند.

پوشش­های آب­پایه مزایای زیادی نسبت به پوشش­های حلال پایه دارند. استفاده از پوشش­های آب­پایه ایمن­تر است و همچنین تاثیر کمتری بر روی سلامت انسان و محیط زیست خواهد داشت. این نوع از پوشش­ها علاوه بر اینکه مواد فرار مضر بسیار اندکی ایجاد می­کنند، سرعت خشک شدن بالایی نیز دارند. با این وجود، یکی از چالش­های استفاده از پوشش­های آب پایه ، تاثیر گذاری شرایط بر روی ظاهر و عملکرد آن است. دما و رطوبت از عوامل بسیار تاثیر گذار بر روی این نوع از پوشش­ها هستند.

تعیین فرمولاسیون پوشش­های آب­پایه­ای که برای محافظت از فلزات مورد استفاده قرار می­گیرند از دیگر چالش­های موجود در این حوزه است. در این مقاله، نکاتی در مورد فرمولاسیون پوشش­های آب­پایه­ ی آکریلیکی که برای حفاظت در برابر خوردگی مورد استفاده قرار می­گیرند را بیان می­شود. استفاده از این نکات می­تواند موجب بهبود عملکرد پوشش­های DTM آب­پایه شود.

فرمولاسیون

محافظت از خوردگی که به واسطه­ی پوشش­های آب­پایه­ی آکریلیکی برای فلزات ایجاد می­شود، علاوه بر رزین به سایر اجزای به کار رفته در فرمولاسیون مانند حلال­ها، افزودنی­ها و رنگدانه­ها نیز وابسته است.

شکل­گیری فیلم در سامانه­های آب­پایه بر پایه­ی لاتکس بسیار پیچیده است. برای کاهش دمای شکل­گیری فیلم از حلال­های کمکی و عوامل انعقاد استفاده می­شود. این عوامل به ذرات پلیمری موجود در لاتکس امکان تغییر شکل و نفوذ در یکدیگر می­دهد. زنجیره­های پلیمری بر روی سطح در یکدیگر نفوذ کرده و در نهایت منجر به تشکیل فیلم می­شود. در این فیلم­ها، رزین به عنوان عامل سد کننده برای جلوگیری از نفوذ عوامل خورنده، عمل می­کند. در این حالت، نوع و مقدار حلال باید با توجه به نوع رزین و فرمولاسیون به صورت بهینه انتخاب شود. این کار مقاومت پوشش را در برابر آب و نمک به بیشینه­ی مقدار خود خواهد رساند. انتخاب نوع حلال، بر مقدار مقاومت پوشش در برابر نفوذ آب تاثیر زیادی دارد. همچنین بهینه کردن مقدار کمک حلال موجود در فرمولاسیون باعث می­شود آزمون مه نمکی نتایج بهتری را از خود نشان ­دهد. یکی دیگر از ملاحظاتی که باید در این زمینه در نظر گرفته شود نوع آب مورد استفاده در فرمولاسیون پوششی است که از سطح فلز محافظت می­کند. در حالت ایده آل، آب یون زدایی شده باید برای این کار مورد استفاده قرار بگیرد. چرا که وجود یون­های اضافی در آب، بر روی مقاومت در برابر خوردگی پوشش، تاثیر منفی دارد.

اگر در فرمولاسیون تجمع رنگدانه­ها وجود داشته باشد، نواقصی بر روی سطح فیلم ایجاد می­شود که مکانی برای نفوذ آب به داخل فیلم خواهند بود. برای جلوگیری از تجمع رنگدانه­ها باید پراکنه بسیار خوبی از آن­ها در فرمولاسیون ایجاد کرد. انتخاب ماده­ی پراکنشگری که هماهنگی خوبی با رزین موجود در فرمولاسیون داشته باشد، یکی از عوامل مهم در میزان مقاومت به خوردگی پوشش به شمار می­رود. حتی عامل پراکنشگری که برای دستیابی به ویژگی­های خاصی مانند براقیت و یا چسبندگی، به صورت بهینه انتخاب شده­ است، می­تواند تاثیر منفی بر روی مقاومت به خوردگی پوشش داشته باشد. شکل 1، نتایج مربوط به فیلم یک نوع فرمولاسیون با دو نوع عامل پراکنشگر متفاوت نشان می­دهد. این تصاویر به آزمون مه نمکی مربوط می­شود که پس از 44 ساعت، ثبت شده­اند. مشاهده می­شود که با وجود عامل پراکنشگر موجود در فیلم سمت چپ، هیچگونه شکست یا خدشه­ای در فیلم مشاهده نمی­شود. در حالی که حضور عامل پراکنشگر در فرمولاسیون فیلم سمت راست باعث ایجاد شکست و تخریب در فیلم شده است.

[EasyDNNGallery|11758|Width|700|Height|700|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

شکل 1: فرمولاسیون DTM  سفید رنگ با براقیت زیاد، ضخامت فیلم خشک50 میکرون بر روی فولاد پلیش زده شده و بدون پلیش

انتخاب رنگدانه نیز تاثیر زیادی بر عملکرد ضد خوردگی پوشش­های DTM دارد. در فرمولاسیون پوشش­های DTM با براقیت بالا، رنگدانه­ی فعال استفاده نمی­شود ولی نوع اکسید تیتانیوم، خود می­تواند بر روی اثرات حفاظت از خوردگی فیلم نهایی و مقاومت آن در برابر نفوذ آب، تاثیر گذار باشد. شکل 2 نتایج 276 ساعت آزمون مه نمکی را بر روی دو فرمولاسیون یکسان با نوع دی اکسید تیتانیوم متفاوت نشان می­دهد. همانطور که مشاهده می­­شود، فرمولاسیون سمت چپ با حضور دی اکسید تیتانیوم نوع A، عملکرد ضد خوردگی بهتری را نسبت به فرمولاسیون سمت راست حاوی دی اکسید تیتانیوم نوع B نشان می­دهد.

[EasyDNNGallery|11759|Width|700|Height|700|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

شکل 2: فرمولاسیون DTM  سفید رنگ با براقیت زیاد، ضخامت فیلم خشک 50 میکرون بر روی فولاد پلیش زده شده و بدون پلیش

از آن­جایی که پوشش­های DTM در فام­های مختلفی تولید می­شوند، از رنگدانه­های دیگری نیز در فرمولاسیون این پوشش­ها استفاده می­شود. این رنگدانه­های رنگی به صورت پراکنه پیش ساخته مورد استفاده قرار می­گیرند که برای پایدار سازی در آن از پایدار کننده­هایی استفاده می­شود. این پایدار کنند­ها بر روی مقاومت به خوردگی و نفوذ آب این پوشش­ها تاثیرگذار است. در این نوع از فرمولاسیون­ها، بهترین انتخاب، رنگدانه­هایی هستند که در پوشش­های صنعتی مورد استفاده قرار می­گیرند. رنگدانه­هایی که در پوشش­های ساختمانی به کار می­روند، برای این کاربرد مناسب نیستند.
شکل 2: فرمولاسیون DTM  سفید رنگ با براقیت زیاد، ضخامت فیلم خشک 50 میکرون بر روی فولاد پلیش زده شده و بدون پلیش

حضور افزودنی­های دیگری مانند ضدکف­ها، عوامل تر کننده و افزایش دهنده­های غلظت نیز در فرمولاسیون این پوشش­ها مورد نیاز است. با این وجود این افزودنی­ها می­توانند بر مقاومت به خوردگی و نفوذ آب این پوشش­ها اثر منفی داشته باشند. حذف کامل حباب­ها از روی سطح برای ایجاد فیلمی یکدست و پیوسته لازم است. مواد پراکنشگر موجب بهبود فرایند تر کنندگی رنگدانه­ها، جریان پذیری و هموار شدن فیلم نهایی می­شوند. معمولا غلظت دهنده­های غیر یونی مانند HEUR و HMPE، در مقایسه با خاک رس و یا غلظت دهنده­های قلیایی، موجب تشکیل فیلم بهتر و حداقل شدن اثرات خوردگی خواهند شد.

یکی دیگر از افزودنی­هایی که باید در فرمولاسیون پوشش­های آب­پایه­ی DTM حضور داشته باشند، بازدارنده­های ضد جرقه هستند. بازدارنده­های ضد جرقه از ایجاد جرقه بر روی سطح فلز در طول فرایند خشک شدن، جلوگیری می­کند. این بازدارنده­ها، گاهی می­توانند مواد ساده­ای مانند سدیم نیترات باشند. ولی اگر از انواع تجاری این افزودنی­ها استفاده شود، اجزای دیگری نیز برای بهبود عملکرد و همچنین افزایش مقاومت به خوردگی و نفوذ آب پوشش به آن­ها اضافه خواهد شد. نوع و میزان افزودنی­های ضد جرقه باید به گونه­ای بهینه سازی شود که از عملکرد آن در شرایط سخت خشک شدن اطمینان کافی وجود داشته باشد.

اعمال پوشش

پوشش­های صنعتی می­توانند با استفاده از اسپری، قلمو و یا غلطک اعمال شوند. گرانروی این پوشش­ها با توجه به روش اعمال آن­ها، باید بهینه سازی شود. برای بررسی ویژگی­های پوشش و رزین­ها، فیلم آن­ها با استفاده از روش اسپری کردن ایجاد می­شود. چرا که نحوه­ی شکل­گیری فیلم، بر اساس نوع روش اعمال آن، متفاوت خواهد بود. برای فیلم­هایی که با استفاده از روش اسپری هوا اعمال می­شوند لازم است گرانروی فرمولاسیون با استفاده از آب یون زدایی شده تا حدود  70 کربس کاهش داده شود.

ضخامت فیلم تر اعمال شده را می­توان با استفاده از دستگاه­های خاص اندازه­گیری کرد. ضخامت فیلم خشک برابر ضخامت فیلم تر ضرب در درصد حجمی جامد موجود در پوشش خواهد بود. در بیشتر موارد ضخامت پوشش DTM حدود 50 میکرون در نظر گرفته می­شود. با این وجود برخی از پوشش­ها با ضخامت فیلم خشکی بسیار کمتر، در حدود 13 میکرون و گاهی ضخامت­های زیاد در حدود 200 میکرون، نیز اعمال می­شوند. یک از مزایای تولید صفحات آزمونی پوشش­ها بر روی زیرآیندهای فلزی، ایجاد امکان اندازه­گیری صخامت فیلم خشک با استفاده از یک دستگاه ضخامت سنج دیجیتالی، به صورت دقیق و به صورت غیر مخرب است. این تجهیزات از قوانین تداخل الکترومغناطیسی برای پوشش­های غیر مغناطیسی بر روی زیرآیندهای مغناطیسی و یا قوانین ایجاد تداخل در جریان الکتریکی برای پوشش­های غیر رسانا بر روی زیرآیندهای فلزی بدون آهن استفاده می­­کنند.

استفاده از روش اعمال با میله یکی دیگر از روش­های اعمال این نوع از پوشش­ها است (Bar coating). میله ها در شکل­های مختلفی وجود دارند. آن­ها می­توانند به صورت استوانه­ای، مکعبی یا به صورت یک تیغه باشند. سرعت اعمال پوشش نیز بر ضخامت آن موثر است. ضخامت فیلم نهایی به شکل میله  و فضای خالی میان میله  و سطح اعمال بستگی دارد. گرانروی، کشش سطحی و ویژگی­های فیلم تر نیز بر روی ضخامت فیلم نهایی تاثیرگذار هستند. گرانروی فرمولاسیون باید به مقداری باشد که هم جریان مناسبی از آن در حین حرکت میله  بر روی زیرآیند ایجاد شود و هم فیلم نهایی به دست آمده بدون نقص تشکیل گردد. معمولا گرانروی بین KU 80-100 برای اعمال با استفاده از روش میله  مناسب است.

پس از اعمال، فیلم­ها در دمای اتاق خشک می­شوند. یکی از چالش­هایی که برای پوشش­های آب­پایه وجود دارد، اهمیت شرایط دمایی و رطوبتی محیط اطراف آن هنگام اعمال و طی فرایند خشک شدن است. مناسب نبودن شرایط باعث ایجاد خلل در شکل­گیری فیلم خشک و افت عملکرد نهایی آن خواهد شد. در آزمایشگاه، فرایند خشک شدن در شرایط استاندارد (دمای °C 23 و رطوبت 50%) انجام می­شود. برای انجام آزمون­های خوردگی باید به فیلم 7 روز زمان برای خشک شدن در شرایط استاندارد محیطی داده شود. اگر ضخامت فیلم خشک نهایی پوشش DTM  برابر 50 میکرون باشد، فرایند خشک شدن را می­توان در زمان کمتری، برای مدت یک روز و پس از آن قرار گرفتن در آون °C 50 درجه به مدت یک ساعت، به سرانجام رساند. پیش از انجام آزمون مقاومت به خوردگی و نفوذ آب، پشت زیرآیند و زوایایی که فیلم بر روی زیرآیند تشکیل شده است، باید با استفاده از پوششی مقاوم­تر و یا چسب پوشش داده شود.

انجام آزمون

پوشش­های DTM بر روی زیرآیندهای فلزی مختلفی مورد آزمون قرار می­گیرند. برای بررسی میزان مقاومت به خوردگی، پوشش­ها بر روی فولاد اعمال می­­شوند. انواع مختلفی از فولاد برای این منظور مورد استفاده قرار می­گیرند، از جمله فولاد با سطح پولیش خورده، شن پاشی شده، فولاد با نورد گرم و سرد و فولاد با سطح فسفاته یا کروماته.

مقاومت به خوردگی پوشش­ها معمولا با استفاده از آزمون مه نمکی، به صورت مداوم، و بر اساس استاندارد ASTM B117 مورد ارزیابی قرار می­گیرد. در این آزمون از مه نمکی تولیدی از محلول 5% سدیم کلراید در دمای ثابت °C35، استفاده می­شود. برای انجام این آزمون، گوشه­ها و زوایای صفحات باید از قبل با استفاده از چسب پوشانده شده و بر روی آن­ها دو خط متقاطع خراش داده شود. در این آزمون میزان خوردگی صفحات بر  اساس آزمون ASTM D1654 و ASTM D610 مورد بررسی قرار گرفته و درجه بندی می­شود.

آزمون­های دیگری نیز برای سنجش میزان مقاومت به خوردگی پوشش­ها وجود دارد. یکی از این روش­ها آزمون چرخه­ای مه نمکی است که بر اساس استاندارد ASTM G85-A5 انجام می­شود. یا آزمون مه نمکی که در مجاورت تابش UV بر اساس استاندارد ASTM D5894 انجام می­گیرد. در آزمون مه نمکی چرخه­ای، محلول­های نمکی رقیق (0.35% آمونیوم سولفات و 0.05% سدیم کلراید) مورد استفاده قرار می­گیرند و مراحل یک چرخه به صورت یک ساعت در مه نمکی و دمای  °C 25 و یک ساعت خشک شدن در دمای  °C 35 تنظیم می­شوند. آزمون ترکیبی به صورت یک هفته (معادل 168 ساعت) در دستگاه QUV-A (4ساعت UVA (nm340)/4 ساعت اعمال رطوبت) و سپس یک هفته آزمون مه نمکی به مدت زمان کلی 1008 ساعت (6 هفته، هر هفته 3 سیکل آزمون) انجام می­گیرد.

علاوه بر آزمون­های خوردگی، چسبندگی خشک و تر نیز بر روی انواع مختلفی از فلزات بر اساس استاندارد ASTM D3359 مورد ارزیابی قرار می­گیرد. این آزمون در زمان­های مختلفی از فرایند خشک شدن فیلم مورد نظر مانند یک روز، سه روز و هفت روز انجام می­شود. یکی از روش­ها برای ارزیابی چسبندگی تر فیلم به زیرآیند، مراحل زیر را شامل می­شود. ایجاد خراش بر روی سطح فیلم، پوشاندن آن با استفاده از یک کاغذ فیلتر، پر کردن فیلتر با آب و پوشاندن آن­ها با استفاده از یک شیشه ساعت. پس از 60 دقیقه، سطح مورد نظر خشک شده است. چسب نواری بر روی منطقه­ی مورد نظر اعمال شده و کنده می­شود. با استفاده از این آزمون می­توان چسبندگی تر فیلم بر سطح زیرآیند را مورد ارزیابی قرار داد. مقاومت در برابر نفوذ آب نیز از روش­های مختلفی شامل، غوطه­وری در آب، استفاده از محفظه­ی رطوبت بر اساس استاندارد ASTM D2257 و استفاده از مه آبی یون زدایی شده در رطوبت 100% و دمای °C 35. چسبندگی پس از مجاورت پوشش با آب نیز مورد بررسی قرار می­گیرد.

(ادامه دارد …)

متن کامل این مقاله را در شماره 192ام دوماهنامه پوشرنگ بخوانید. 

در صورت تمایل به دریافت نسخه نمونه رایگان و یا دریافت اشتراک با شماره های 02177523553 و 02177533158 داخلی 3 سرکارخانم ارشاد .تماس بگیرید. امکان اشتراک آنلاین بر روی صفحه اصلی همین سایت وجود دارد