Využití ovlivnění povrchového napětí materiálů v technologiích povrchových úprav

Každý, kdo má co do činění s nanášením povlaků, případně s lepením materiálů, zná případ, kdy nanášená hmota se po povrchu nerozlévá, ale naopak, shlukuje se do celků a kapek. Jak mnozí z vás vědí, tyto jevy má na svědomí povrchová energie povlakovaného substrátu a nanášené kapaliny. V příspěvku se nebudu zabývat teoretickými principy, ale zaměřím se na praktické vlastnosti a jevy s povrchovým napětím spojené.

JAK LZE ZLEPŠIT NANÁŠENÍ POVLAKU Z KAPALNÉ LÁTKY NA PEVNÝ SUBSTRÁT?
Obecně při vytváření povlaku z kapalné látky na pevném substrátu chceme dosáhnout rovnoměrného rozprostření povlakové kapaliny a jejího zatečení do mikronerovností substrátu (toto je nutná podmínka pro dosažení dostatečné přilnavosti povlaku k substrátu). Tato chtěná situace nastává při vhodné kombinaci povrchové energie substrátu a povlakovací kapaliny. Pokud tomu tak není, máme dvě možnosti: použít jinou povlakovací kapalinu s vhodnější povrchovou energií, nebo ovlivnit povrchovou energii povlakovaného substrátu. Druhá varianta je v technické praxi běžně používaná. Povrchovou energii pevné látky lze ovlivnit chemickou ne-bo fyzikálně – chemickou úpravou. V průmyslu se toho běžně využívá například při lepení nebo lakování plastových výrobků. V této chvíli se nebudeme zabývat čistě chemickou úpravou substrátů. Většinou se pro ní používají k pracovnímu a životnímu prostředí velmi agresivní chemické látky. Fyzikálně-chemické úpravy se provádějí například ožehem plamenem, koronovým výbojem, případně aplikací plazmatu. Plazmových výbojů existuje celá škála. Plazmatem lze svařovat, řezat ocel, napařovat látky na povrch ve vakuu atd. V našem případě mluvíme o tzv. studeném plazmovém výboji za atmosférického tlaku, kde jako nosné médium používáme argon.
Plazmatem lze ovlivnit povrchovou energii snad všech běžně používaných materiálů kovy, plasty, dřevo, sklo, keramiku, tkaniny, papír... Působením plazmatu dochází u materiálu k jeho dočištění (nelze si představovat, že dojde k nahrazení odmaštění při aplikaci povrchové úpravy). To se projevuje u kovových materiálů, skla, keramiky. U materiálů na bázi organických sloučenin, jako jsou plasty, dřevo, textilní vlákna a papír, dochází kromě dočištění také k chemickému ovlivnění struktury povrchu na molekulární úrovni tj. v nanovrstvě. Ovlivňování povrchu materiálů plazmatem lze považovat za nanotechnologii. Po aplikaci plazmatu lze u materiálu pozorovat zlepšení rozlivu kapalných médií po povrchu, tj. kapalina na povrchu vytváří film. Toto je žádoucí efekt při všech technologiích povrchových úprav a lepení materiálů. Pokud bychom se podívali na mikrostrukturu povrchu, viděli bychom, že kapalné médium lépe vyplňuje nerovnosti v reliéfu povrchu, což má velmi pozitivní význam pro dobré zakotvení povlaku aplikovaného při technologii povrchové úpravy nebo lepeného spoje. Ve finále se to projevuje navýšením přilnavosti aplikované vrstvy proti stavu bez ovlivnění povrchu plazmatem. Na následujících fotografiích je ukázáno působení plazmatu na některé materiály – rozliv vody jako kapaliny s nejvyšší povrchovou energií.

OVLIVNĚNÍ VLASTNOSTÍ POVRCHOVÉ ÚPRAVY CÍLENÝM SNÍŽENÍM POVRCHOVÉ ENERGIE
Pokud máme technologicky dokončené nanesení povlaku povrchové úpravy, je pro výrobky často výhodné upravit povrch tak, aby byl co nejméně smáčivý pro kapalná média. Co si pod touto větou představit? Uvedeme jednoduchý příklad. Máme výrobek s povrchovou úpravou trvale vystavený působení kondenzující vlhkosti, případně odkapávající vody. Pokud bude povrch upraven tak, aby odpuzoval vodu, tj. jeho povrch byl hydrofobní, voda na povrchu výrobku nebude vytvářet film, ale pouze kapky, které budou z výrobku rychle odtékat. Zmenší se aktivní plocha kontaktu povrchu s vodou, a tím se i v průměru zkrátí doba ovlhčení povrchu, z čehož plyne důsledek snížení možnosti korozního napadení povrchu výrobku, nebo, jinak řečeno, prodlouží se korozní odolnost povrchové úpravy výrobku. K dalším pozitivním vlastnostem takové úpravy povrchu patří snížení špinivosti povrchu a snadnější čištění zašpiněného povrchu. Tyto úpravy povrchové energie se v praxi již běžně používají, jako příklady můžeme uvést termín tekuté stěrače, antifoging úpravy na brýle, zrcadla atd.
Stavu povrchu, který můžeme nazvat hydrofobní až ultrahydrofobní lze dosáhnout chemickou cestou – nanesením vrstvy, která svojí molekulární strukturou a chemickým složením zajišťuje tyto vlastnosti. Vzhledem k tomu, že hydrofobity je dosahováno strukturou povrchu na molekulární úrovni, opět se bavíme o nanotechnologii. Na trhu jsou dostupné přípravky od různých firem s rozmanitými názvy, s více čí méně zdařilou funkčností a stupněm hydrofobity. Obecně se používá termín nanoskla. V naší laboratoři se zabýváme aplikací a zkoušením vlastností přípravků například od firmy RENY group. Hydrofobity lze dosáhnout na celé škále materiálů: kovové povrchy (leštěný nerez), sklo, keramika, plasty, lakované povrchy, tkaniny, savé minerální podklady (beton, zdivo), dřevo. Pro každý specifický povrch je potřeba použít speciální přípravek. Jinými slovy, napřílad na skle nemá stejnou účinnost přípravek na plasty nebo na textil.

Pro dosažení maximální účinnosti, tedy co nejvyššího efektu hydrofobity, je důležitá opravdu důkladná příprava povrchu. Povrchy je potřeba co nejlépe zbavit nečistot a odmastit. Pro dlouhodobou životnost funkční vrstvy se ukazuje jako velice výhodné povrch upravovat plazmatem. Plazmatem připravený povrch a s následně aplikovanou hydrofobní vrstvou vykazuje dlouhodobou funkčnost a poměrně vysokou otěruodolnost například na sklech sprchových koutů, na leštěných kovových předmětech. Na následujících fotografiích jsou některé příklady hydrofobních vrstev na materiálech. Kapky jsou tvořeny vodou.

ZÁVĚR
Příspěvek měl za úkol ukázat možnosti, že pomocí ovlivnění povrchové energie můžeme dosáhnout přidanou hodnotu v povrchových úpravách různých materiálů.
Zvýšením povrchové energie substrátu, například pomocí působení plazmatu, lze při aplikaci dosáhnout vyšší přilnavosti povlaku, snížit množství defektů povlaku, snížit potřebu aplikovaných vrstev nátěrů na dřevu, plastech.
Naopak, snížením povrchového napětí na hotových výrobcích lze aplikací vrstvy „nanoskla“ dosáhnout hydrofobity povrchu a tím i zlepšení vlastností povrchu, jako například zvýšení korozní odolnosti, snížení špinivosti, snížení nasákavosti povrchu u dřeva, textilu, snížení tvorby námrazy, atd.

TEXT/FOTO MAREK SCHILLER A KOL.

Spoluautori:
Marek Schiller a), Vladimír Špaček a), František Herrmann a), Yvona Nytrová b)
a) Oddělení hodnocení a zkoušení, Zkušební laboratoř č. 1105.2 akreditovaná ČIA dle ČSN EN ISO/IEC 17025 SYNPO akciová společnost, S. K. Neumanna 1316, 532 07 Pardubice – Zelené Předměstí
b) RENYgroup, s. r. o., Úvalno 70, 793 91 Úvalno