Прибор для таких измерений, известный как OSCAR разработан фирмой ICI несколько лет назад [70]. Его принцип действия, кратко описанный в работе [49], аналогичен рассмотренному выше вискозиметру LSV. Круглый столик в верхней части прибора колеблется вокруг центра благодаря возвратно-поступательному движению кольчатой пружины с частотой около 10 Гц. Амплитуда и фазовый угол движения измеряются в соответствии с амплитудой и углом привода (аналогично вискозиметру LV) Если цилиндрический бидон (контейнер) расположен на столике, то разница фазовых углов столика и привода равна нулю, а отношение амплитуд имеет конечное значение, зависяш,ее от массы бидона. Оно принимается как единица шкалы прибора и все последующие измерения приводятся к этой единице для взятой массы. Когда бидон, содержащий вязкоэластический материал (например, тиксотропную краску), помещается на столик, отношение амплитуд и разница фазовых углов меняются, поскольку энергия в этом случае диссипируется из-за вязкоэластических свойств содержимого бипоня .Эти изжедаыл-Я-.-мтур-.-б«ть исполь-зованы для вычисления динамической вязкости и эластичности краски. На практике, путем сложных математических расчетов строится градуировочный график, с помощью которого можно получать результаты прямо из показаний прибора. Изменения веса бидона можно учесть с помощью цифрового потенциометра. Поскольку сдвиговые волны быстро рассеиваются и т. к. максимальный угол отклонения равен 5° для контейнера емкостью 250 мл и диаметром 9 см, максимальное усилие сдвига настолько мало, что массу образца фактически можно считать неизменной.
Измерения можно сделать очень быстро. Образцы, хранящиеся в бидонах, взвешиваются и помещаются на столик, вес высвечивается на шкале потенциометра, и обычно через 30 с дисплей показывает значения разницы фазовых углов и отношение амплитуд Отсюда легко вычисляются значения динамической вязкости и эластичности. Изменения реологической структуры проявляются в основном в величине упругости и, в меньшей степени, в вязкости. Прибор также можно использовать для определения оседания и кинетики структурирования при гелеобразовании.
* Аббревиатура от английского o.scillafing сап rlieonieter (осциллирующий реометр для билона) - Примеч. переводчика.
г па ва 13 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОКРЫТИИ
Т. А. Страйвенс 13.1. ВВЕДЕНИЕ
Механические свойства покрытий во многом определяют уровень их защитных свойств, а также в определенной степени влияют на декоративные функции покрытий в течение срока их эксплуатации. Покрытия подвергаются большому числу разнообразных механических воздействий и деформаций. Они могут подвергаться воздействию больших сил, действующих на малой площади в течение очень коротких промежутков времени, например при ударах камней, гравия и т. п. в случае автомобильных покрытий, или последовательному воздействию медленной циклической деформации, что имеет место в случае декоративных покрытий по дереву (например для оконных рам), так как древесина расширяется и сжимается соответственно изменению температуры и атмосферной влажности. Такие силы и деформации могут быть велики: порядка гигапаскалей на единицу площади при ударе или 10-15% растяжения при деформациях древесины (такие деформации анизотропны в силу характерной структуры древесины). Эти основные механические свойства покрытий имеют наибольшее практическое значение, поскольку напряжение или растяжение могут привести к пластическому течению (необратимая деформация), или разрушению пленки в результате растрескивания.
Пленки красок в процессе эксплуатации могут испытывать разнообразные механические деформации. Кроме того, физико-механические свойства покрытий сами по себе изменяются при старении. От уровня механических показателей зависит долговечность покрытия в процессе эксплуатации, т. е. сохранность физической однородности пленки определяет время, в течение которого покрытие может выполнять свои защитные функции. Постоянное воздействие воздуха и влаги (росы) на поверхность покрытия приводит к постоянному выщелачиванию ннзкомолекулярных веществ, таких как остатки растворителя, пластификатор или низкомолекулярные полимерные фракции, а также продуктов деструкции, которые могут размягчать покрытие и увеличивать его стойкость к хрупкому разрушению (растрескиванию). Кроме того, воздействие кислорода воздуха и света (особенно его УФ-со-ставляющей) может активировать различные фотолитические реакции с образованием свободных радикалов и пероксидов, вследствие чего может увеличиться степень сшивки пленки
и, соответственно, ее хрупкость. В конечном итоге происходит разрушение пленки путем растрескивания или на ее поверхности, или, чаще, внутри пленки. Проникновение воды в пленку может оказывать благоприятное воздействие, поскольку вода часто «смягчает», пластифицирует пленку. Однако, если последнее сочетается с проникновением кислорода или анионов, это может привести к механическому разрушению вследствие увеличения хрупкости или накопления твердых продуктов коррозии на поверхности раздела покрытие/металл.
Большинство красок и покрытий основано на органических полимерах. Они поэтому вязкоэластичны и их реакция на механическую нагрузку заметно отклоняется от линейной. Кроме того, механические свойства матричного полимера могут существенно изменяться благодаря присутствию мелких полимерных частиц (выделяющихся при смешении компонентов и отверждении), частиц пигментов, наполнителей и т. д. Роль этих частиц в модифицировании свойств покрытия аналогична роли, которую играют -наполнители при отгределении механических свойств полимерных композитов в массе. Предприняты попытки применить идеи и теории, выдвинутые для полимерных композитов, для интерпретации механических свойств лакокрасочных пленок.
В дополнение следует отметить, что большинство систем покрытий многослойны. Хотя пленкообразователь может быть один и тот же, природа и состав пигментов могут изменяться от слоя к слою. К неоднородности механических свойств, как по толщине, так и вдоль поверхности пленки, могут привести процессы удаления растворителя и пространственно-неоднородного сшивания при отверждении. Эти процессы обычно приводят к усадке полимерной матрицы и возникновению внутренних напряжений, которые изменяют ее механические свойства на подложке. В этой связи часто возникает вопрос, соответствуют ли результаты испытаний покрытий исходным свойствам материала, и в ряде случаев результаты испытаний вообще утрачивают свою ценность.
Достаточно сказано о сложности и важности механических свойств покрытий, а также о важности их изучения при натурных или искусственных условиях испытаний.
Настоящая глава построена следующим образом: После краткого обзора вязкоэластичности и механических свойств полимеров рассмотрены методы определения этих свойств, особенно для окрашенных образцов, т. е. для адгезированных пленок. После обзора практически используемых методов механических испытаний покрытий и их интерпретации на более фундаментальной основе глава завершается разделом о применении акустической эмиссии для записи из.менений .механических свойств при искусственном старении.
