Fizykochemia powierzchni powłoki cynkowej
Niska przyczepność wyrobów lakierowych do gładkiej powierzchni powłoki cynkowej może wynikać ze słabej zwilżalności powierzchni cynku przez wyroby lakierowe. Na powierzchni stali ocynkowanej mogą znajdować się zanieczyszczenia, dlatego istnieje potrzeba stosowania odpowiednich metod przygotowania powierzchni, np. mycia w strumieniu wody pod ciśnieniem, w rozpuszczalnikach, czy delikatnego oczyszczania strumieniowo-ściernego, tzw. omiatania. Ta ostatnia metoda oprócz oczyszczania powierzchni zwiększa również jej rozwinięcie, co w znacznej mierze poprawia przyczepność nakładanej warstwy lakierniczej. Opracowania naukowe dotyczące przyczepności wyrobów lakierowych do ocynkowanego podłoża przedstawiają kilka jednocześnie działających mechanizmów decydujących o przyczepności powłoki lakierowej do podłoża [8]. Pierwszy z nich – mechanizm adsorpcyjny - zachodzi na skutek oddziaływania polarnych sił międzycząsteczkowych van der Waalsa, oddziaływujących na bardzo wąskiej przestrzeni, między powierzchnią cynku a powłoką organiczną. Drugi proponowany mechanizm adhezji ma charakter mechaniczny. Przyczepność warstwy lakierowej do chropowatego podłoża cynkowego następuje w wyniku zakotwiczeń materiału polimerowego w mikronierównościach powierzchni. Proponowany jest również „efekt przyssawki”, powstającej w wyniku zamykania powietrza w mikronierównościach przez materiał polimerowy, która w wyniku reakcji fizykochemicznych (polimeryzacji i odparowywania rozpuszczalników) zmniejsza swoją objętość, zasysając lakier w tych mikroszczelinach [8,9]. Wymieniany jest również elektrostatyczny mechanizm adhezji, jednak opiera się on na polarności cząsteczek oraz przyciąganiu ładunków różnoimiennych, jest więc podobny w swej istocie do mechanizmu adsorpcyjnego. Pod wpływem obróbki strumieniowo-ściernej następuje aktywacja w warstwie wierzchniej metalu podłoża i wytwarzane są ładunki elektrostatyczne sprzyjające polaryzacji sąsiednich łańcuchów polimerów, zwłaszcza ich grup funkcyjnych, stając się dodatkową przyczyną ich przyciągania do podłoża [8,9].
Badania przyczepności w warunkach laboratoryjnych
Do badań wytypowano trzy gatunki stali o różnej zawartości krzemu: 0,02% (stal niskokrzemowa, poniżej zakresu Sandelina), 0,035% (stal sandelinowska) i 0,27% (stal wysokokrzemowa, powyżej zakresu Sandelina). Próbki stali cynkowano zanurzeniowo w temperaturze 450°C w czasie 5 minut w kąpieli zawierającej oprócz cynku: 0,02% aluminium, 0,05% niklu, 0,43% ołowiu. Zgodnie z wytycznymi normy PN EN ISO 12944-5 [10], jako warstwę zewnętrzną systemu duplex wybrano farbę opartą na kopolimerze PVC i żywicy akrylowej przeznaczoną do malowania powierzchni ocynkowanych i konstrukcji stalowych różnego rodzaju. Powłokę lakierową nakładano na ocynkowane i odtłuszczone płytki stalowe w czasie do 48 godzin po procesie cynkowania.
Rys. 3. Wygląd powierzchni powłok cynkowych otrzymanych na stali o różnej zawartości krzemu.
Rys. 4. Struktura powłok cynkowych otrzymanych na stali o różnej zawartości krzemu.
Makroskopowo dokonano oceny jakości powierzchni ocynkowanej. W celu określenia wpływu struktury powłok cynkowych na stali na właściwości ochronne systemu duplex, w zależności od zawartości krzemu w podłożu, przeprowadzone zostały badania mikrostruktury powłok przy użyciu mikroskopu świetlnego MeF-2 Reichert. Określono również adhezję powłok lakierowych do ocynkowanego podłoża stali w czasie ekspozycji próbek w warunkach komór korozyjnych zgodnie z PN EN ISO 6270-2 [11]. Widok komory korozyjnej BS1 Erichsen przedstawiono na rys. 1. Jako środowisko korozyjne zastosowano w badaniach atmosferę o zmiennej wilgotności i temperaturze. Szczegółowe warunki testu korozyjnego przedstawiono w tabeli 1. Odporność powłok na odrywanie przeprowadzono według PN EN ISO 4624 [12], mierząc minimalne naprężenie rozciągające (w MPa), potrzebne do oderwania powłoki od podłoża. Widok urządzenia do badania adhezji powłoki metodą odrywania przedstawia rys. 2. Otrzymane powłoki cynkowe na stali o różnej zawartości krzemu różnią się między sobą wyglądem (rys. 3) oraz strukturą (rys. 4). Powłoki cynkowe otrzymane na stali niskokrzemowej (0,02% Si) oraz sandelinowskiej (0,035% Si) były jasne i błyszczące. W przypadku próbek stali wysokokrzemowej (0,27% Si) powłoki cynkowe również były błyszczące, ale powierzchnia ich była niejednorodna.
Tab. 1. Atmosfera kondensacyjna do badań.
W wyniku przeprowadzonych obserwacji metalograficznych ujawniono strukturę powłok cynkowych przed nanoszeniem powłoki lakierniczej. Wygląd przekroju poprzecznego powłok cynkowych otrzymanych na próbkach stalowych pozwala stwierdzić, że budowa powłoki zmienia się w zależności od zawartości krzemu w podłożu. Na stali niskokrzemowej (0,02% Si) oraz sandelinowskiej (0,035% Si) powłoka posiada prawidłową budowę faz międzymetalicznych G, δ1 i z oraz warstwy zewnętrznej cynku h. Prawidłowa struktura oraz grubość powłoki na stali sandelinowskiej (0,035% Si) jest wynikiem oddziaływania niklu w kąpieli na stabilizację reakcji żelaza z cynkiem. Przy większej zawartości krzemu (0,27% Si) powłoka ma budowę wielofazową utworzoną przez fazy międzymetaliczne Fe-Zn, ale brak jest widocznej budowy warstwowej. Oddziaływanie krzemu zawartego w podłożu powoduje, że w powłoce tworzą się grube kryształy fazy z, a nikiel zawarty w kąpieli nie wpływa na stabilizację reakcji Fe-Zn. Faza z jest pokryta cienką warstwą zewnętrzną h. Trudności w malowaniu powierzchni ocynkowanych zanurzeniowo polegają na uzyskaniu właściwej jakości pokryć malarskich. Związana jest z tym utrata przyczepności powłoki lakierniczej, pęcherzenie, obniżenie grubości i trwałości. W pracy zdecydowano się na użycie farby rozpuszczalnikowej opartej na kopolimerze PVC i żywicy akrylowej, zawierającej aktywne pigmenty antykorozyjne. Grubość powłok lakierowych wynosiła 150-180 μm.
