CC BY
15
УДК539.612; 535:533.9
И. С. Мифтахов, Э. Ф. Вознесенский, И. Ш. Абдуллин, А. И. Нагмутдинова, В. Е. Горелышева, И. И. Шакуров
ПОВЫШЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СВЕТОВОЗВРАЩАЮЩИХ ПОКРЫТИЙ
ЗА СЧЕТ ПЛАЗМЕННОЙ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ОБРАБОТКИ
Ключевые слова: ВЧИразряд пониженного давления, стекло, активация поверхности, конфокальная микроскопия, адгезия,
световозвращающие элементы.
В статье приведены результаты экспериментальных исследований влияния ВЧплазменной обработки в среде аргона на стеклянные элементы с повышением физико-механических свойств световозвращающих покрытий на их основе. Доказано, что плазменная модификация стекла повышает его адгезию к полимерному связующему за счет формирования активных центров на поверхности. Износостойкость покрытий на основе дорожной эмали и плазмо-модифицированных стеклянных элементов возрастает на 9%.
Key words: RF discharge of low pressure, glass, surface activation, confocal microscopy, adhesion, reflective elements.
In the article the results of experimental studies of the effect of RF plasma treatment in argon in glass cells with improved physical and mechanical properties of reflective coatings on their basis. It is proved that plasma modification of the glass improves its adhesion to polymeric binder due to the formation of active centers on the surface. Wear resistance coverings on the road ones enamel and plasma-modified glass elements increased by 9%.
Минеральное стекло является наиболее распространенным и многофункциональным материалом. В настоящее время, имеется множество отраслей промышленности, в которых находят применение материалы, изготовленные из стекла, имеющего аморфную структуру, это обусловлено его высокими оптическими свойствами, дешевизной материалов и простотой технологии изготовления. Микрочастицы стекла используются в качестве специального рефлектирующего материала для придания дорожной разметке световозвращающих свойств, а также повышения ее видимости в темное время суток, пасмурную и дождливую погоду. Наличие стеклошариков в составе разметочного материала увеличивает срок службы разметки на 1015%, по технологии соответствующей ГОСТ Р53172-2008. Одной из сфер применения данных материалов является использование их в качестве световозвращающих элементов в производстве дорожных покрытий, а также текстильного материала, предназначенного для производства защитной одежды и элементов, предназначенных для визуального обозначения присутствия человека в лучах направленного света, например автомобильных фар [1].
Технология производства подобных
предупреждающих элементов подразумевает нанесения светоотражающих элементов с применением полимерного аморфного связующего на текстильную основу, либо дорожное полотно, что требует высокой адгезионной способности оптических элементов. На данный момент активацию поверхности проводят путем обработки химически активными веществами, так называемыми аппретами, что негативно
сказывается на экологии и требует постоянных затрат на реагенты, поддержание производства и утилизацию отходов. Применение плазмы ВЧ разряда является достойной альтернативой упомянутым методам.
В ранее проведенных исследованиях [2-4], авторами рассматривалась возможность применения плазмы высокочастотного индукционного (ВЧИ) разряда в процессах полировки и очистки поверхности оптических деталей и материалов аморфного и стеклокристаллического строения. Однако, в русле выбранной темы необходимо добиться повышения адгезионных свойств стеклянных изделий сложной геометрии, в частности световозвращающих микро шариков [5]. Данная работа является логическим продолжением работ [3-5], исследовавших влияние ВЧИ обработки на поверхностные свойства оптических материалов и предполагает образование активных центров на поверхности минерального стекла. В качестве путей повышения влияния ионно-плазменной обработки использовалось предварительное обезжиривание и вакуумирование образцов.
В качестве объектов исследования использовались стеклянные микрошарики соответствующие ГОСТ Р53172-2008, а так же, в качестве модельных объектов, пластины минерального стекла размерами 50х60 мм. Плазменная обработка проводилась на экспериментальной ВЧИ-плазменной установке, описанной в источнике [6]. В качестве связующего использовали автодорожную эмаль КО 525, представляет собой суспензию пигментов и наполнителей в растворе смеси акриловых сополимеров и кремний-органических смол и специальных добавок. Эмаль автодорожная КО-525 представляет собой тиксотропную систему, поэтому в процессе длительного хранения может образовываться псевдо высоковязкая система. При обработке стекла использовался режим энергия ионов Ei =10-30 эВ; плотность ионного тока Ji = 125 А/м2; плазмообразующий газ - аргон; расход газа GAr =0,01-0,1 г/с; давление в рабочей камере P =40-90 Па плазменной обработки [4], для обработки пластин и аналогичный режим, с использованием
технологии подачи микродисперных частиц [7], для обработки микрошариков.
На первом этапе исследований использовались модельные объекты - стеклянные пластины. Оценивался эффект плазменной активации адгезии стекла к полимерному связующему и его устойчивость во времени. После обработки образцы пластин минерального стекла были разделены на три группы с целью установления продолжительность эффекта ионно-плазменной обработки, выдерживались сутки, семь суток и без выдержки соответственно, после чего на поверхность наносился полимерный связующий и проводились испытания адгезионной прочности по ИСО 4624 на приборе №ш!ек К№10, результаты измерения приведены в табл. 1.
Таблица 1 - Значения адгезионной прочности образцов минерального стекла
Время выдержки Сила Площадь
после обработки, отрыва, отрыва, %
сут. кг/фут
Без обработки 29 47
0 33 65
1 42 90
7 42 92,5
Как видно из полученных данных, ВЧ плазменная обработка стекла активирует адгезию к полимерным связующим, причем эффект активации стабилен в течение минимум семи суток.
На втором этапе исследована адгезия стеклянных микрошариков. В качестве подложки использовали стальные пластины размерами 150х60 мм. Пластины предварительно обезжиривались, покрывались слоем эмали толщиной 0,2-0,3 мм и в течение 2 минут покрывались слоем микрошариков с расходом около 0,1 г/см2. Через 7 дней проведено испытание полученного композита на лабораторном стенде по определению износостойкости покрытий при интенсивных механических нагрузках [8]. Результаты приведены в табл. 2.
Таблица 2 - Результаты износостойкости покрытий
исследований
Образец Потеря массы после механического воздействия, г Относительная потеря массы, %
Обработанный 1,69 18,76
Без Обработки 2,5 27,79
Как видно из полученных результатов, механическая устойчивость покрытия на основе плазмо-модифицированных шариков возросла на 9%.
Качество разрушения покрытия также оценивалось органолептически и методом конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (КЛСМ) (рис. 1, 2).
а б
Рис. 1 - КЛСМ изображение световозвращающих микрошариков,
нанесенных на стальные платины, связующим является автодорожная эмаль КО-525 а) без плазменной модификации; б) после ионно-плазменной обработки
а б
Рис. 2 - КЛСМ поверхности изображение световозвращающих микрошариков а) без плазменной модификации; б) после ионно-плазменной обработки
Как видно из полученных данных, модифицированные микрошарики после физико-механических испытаний сохраняют равномерное расположение (рис. 1 б). Результаты микроскопии демонстрируют когезионное разрушение материала и повреждение самих микрошариков (рис. 2 а).
Таким образом результаты проведенных исследований подтверждают гипотезу о перспективности применения ВЧ плазменной обработки для активации адгезии стеклянных микрошариков к полимерному связующему при создании световозвращающих композиционных покрытий.
Литература
1. ГОСТ 32074-2013 Световозвращающие элементы детской и подростковой одежды. Общие технически условия.
2. Мифтахов, И.С. Ионная полировка оптических материалов аморфногостроения в условиях ВЧ-разряда пониженного давления/ И.С. Мифтахов., Э.Ф. Вознесенский, И.Ш. Абдуллин, А.О. Фадеев, Л. Гатауллин // Вестник казанского технологического университета. - 2014. - № 23.- С. 73—75.
3. Мифтахов, И.С. Применение плазмы ВЧ-разряда пониженного давления в процессах полировки оптических материалов поликристаллического строения / И.С. Мифтахов., Э.Ф. Вознесенский, И.Ш. Абдуллин, А.О. Фадеев, Л. Гатауллин // Вестник технологического университета. - 2015. - № 11.- С. 144-146.
4. Мифтахов, И. С. О возможности применение газоразрядной плазмы ВЧИ-разряда пониженного давления для очистки поверхности оптических материалов от органических загрязнений/ И.С.
Мифтахов., Э.Ф. Вознесенский, И.Ш. Абдуллин, А.О. Фадеев, Ф.С. Шарифуллин, Фадеев А.О., Л.И. Якушева // Вестник технологического университета. - 2015. -№ 11.- С. 47-49. 5. ГОСТ Р53172-2008 Дороги автомобильные общего пользования. Изделия для дорожной разметки. Микростеклошарики. 6 Абдуллин, И.Ш. Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях. Теория и практика применения / И.Ш. Абдуллин, В.С. Желтухин, Н.Ф. Кашапов. - Казань: Изд-во Казан. гос. ун-та, 2000. - 348 с. 7. Трофимов, А.В. Формирование функционального микрорельефа на поверхности оптических материалов
аморфного строения в условиях ВЧ-разряда пониженного давления/ А.В. Трофимов, Э.Ф. Вознесенский, И.Ш. Абдуллин, М. Алкин // Вестник казанского технологического университета. -2014 - №23. С. -85-87.
8. Набиев, А.С. Метод оценки износостойкости лакокрасочных покрытий / А.С.Набиев, А.С. Ахметзянова, В. Ф. Сороков // Сб. трудов Всероссийской научно-практической конференции "Лакокрасочные материалы и покрытия. Современное состояние и тенденции развития". - Казань, КГТУ. -2006. - С 100-103.
© И. С. Мифтахов, асп. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, [email protected]; Э. Ф. Вознесенский, д.т.н., проф. той же кафедры, [email protected]; И. Ш. Абдуллин, д.т.н., проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, [email protected]; А. И. Нагмутдинова, магистрант той же кафедры; В. Е. Горелышева, бакалавр той же кафедры; И. И. Шакуров, генеральный директор ООО "ТД "НПФ" Союз", [email protected].
© 1 S. Miftakhov - graduate of «Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department, KNRTU, [email protected]; E. F. Voznesensky - Doctor of Technical Sciences, Professor of the same Department, [email protected]; I Sh. Abdullin - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of «Plasma-Chemical and Nanotechnology of High-Molecular Materials» Department, KNRTU, [email protected]; A. I. Nagmutdinova - undergraduate of the same Department; V. E. Gorelisheva - bachelor of the same Department; I. I. Shakurov - General Director of LLC "TD "NPF" the Union", [email protected].
