CC BY
49
УДК 541.67
ПОЛЯРИЗАЦИЯ ОБРАЗЦОВ ЛАКОКРАСОЧНОГО ПОКРЫТИЯ
А.А. Ходяков, Р.Х. Абу-Ниджим
Кафедра эксплуатации автотранспортных средств Инженерный факультет Российский университет дружбы народов ул. Миклухо-Маклая, 8, корпус 3, Москва, Россия, 117198
Изучен механизм поляризации образцов лакокрасочного покрытия. Установлено, что поляризация обусловлена локализацией зарядов в тонком поверхностном слое и в объеме покрытия. Электрическое сопротивление образцов составило 5,6 • 1017—5,6 • 1018 Ом • см, энергия активации ответственных за релаксацию заряда электрически активных дефектов — 1,2 эВ.
Ключевые слова: лакокрасочное покрытие, поляризация, локализация заряда, электрически активные дефекты.
Известно, что для контроля качества лакокрасочного покрытия (ЛКП) применяют способы, в которых, используя электрический ток, испытанию подвергают образцы, помещенные в растворы электролитов (емкостно-омический метод и метод поляризационного сопротивления). Кроме того, существует метод, основанный на непосредственном определении удельного поперечного электрического сопротивления лакокрасочного покрытия.
Указанные способы позволяют оценить адгезионные свойства ЛКП, а по значению электрического сопротивления — способность покрытия защищать металл от коррозии. Например, известно, что хорошими защитными свойствами в морской воде обладают ЛКП, имеющие поперечное электрическое сопротивление бо-8 2 лее 10 Ом • см .
Относительно высокие значения электрического сопротивления (р) лакокрасочных покрытий свидетельствуют о том, что они, также как и обладающие высокими значениями р диэлектрики (р > 1011 Ом • см), могут под действием электрического поля переходить в заряженное состояние, т.е. электризоваться (поляризоваться). Данные, полученные в результате исследования процессов поляризации, позволяют сделать выводы об электрофизических свойствах исследуемого материала, дефектах его структуры [1—5]. Поэтому с целью определения указанных свойств и дефектов структуры были изучены процессы поляризации образцов лакокрасочного покрытия.
Экспериментальная часть
Объектами исследования при изучении процессов поляризации были куски лакокрасочного покрытия, образовавшиеся на крыле автомобиля (автомобиль выпущен в 1995 г.) в результате его коррозии. Габаритные размеры кусочков (плоско-параллельные образцы) не превышали 2 • 10-2 • 1,5-2 • 8 • 10-3 (м). Осмотр среза указанных образцов показал, что ЛКП состоит из нескольких слоев. Изучали ис-
ходные образцы, пластинки, не содержащие верхний слой — лак и покровную эмаль с пигментом. Исследовали образцы без нижнего слоя, который представлял собой антикоррозионный грунт бурого цвета, а также пластинки, не содержащие верхний и нижний слои (промежуточный слой белого цвета, сердцевина). Снятие слоев осуществляли посредством их сошлифовки.
Поляризацию ЛКП проводили (на воздухе) посредством воздействия на образцы постоянного электрического поля напряженностью ~106 В • м-1 при температуре 70 °С в течение 0,2 ч. Далее образцы охлаждали (не снимая поля) до комнатной температуры. Контроль наличия в образцах эффекта поляризации (после указанной ранее процедуры) проводили, измеряя токи деполяризации (термости-мулированные токи короткого замыкания, ТТКЗ) в режиме линейного нагревания (от 20 °С до ~150 °С) объектов исследования со скоростью ~5—6 град • мин-1 [3—5]. В экспериментах использовали блокирующие электроды.
Обсуждение результатов
В результате проведенных исследований установлено, что в области температуры 344 К на кривых токов деполяризации при отжиге всех без исключения образцов наблюдаются экстремальные значения термотока (рис. 1).
/, отн. ед.
1,11 -
0,9 -
0,8 -
0,7 -
0,6-|-,-,-,
280 320 360 400
Температура, К
Рис. 1. Спектры термостимулированного тока (I, отн. ед.) короткого замыкания в ЛКП, не содержащем нижний слой (1), и образцах промежуточного слоя (сердцевина) (2).
Это свидетельствует о том, что ЛКП не только поляризуется, но и содержит электрически активные дефекты (ход кривых ТТКЗ представляет собой процесс релаксации накопленного образцами ЛКП заряда). Энергия активации (Жакт) ответственных за релаксацию заряда электрически активных дефектов, рассчитанная по полуширине пика тока деполяризации [5], составила 1,2 эВ.
Для определения электрического сопротивления образцов ЛКП была снята кривая спонтанной релаксации заряда, определено время (т) его жизни. На рис. 2
в координатах qt /q0 от t представлено относительное изменение заряда от времени хранения образцов (на воздухе при 20 °С) после воздействия на них электрического поля.
- (1)
qt = qo ■ ехр| —
где т — время релаксации заряда (время жизни); t — время; q0 — исходный заряд; qt — величина заряда в момент времени t при постоянной температуре (20 °С).
Из хода зависимости qt /q0 от t (рис. 2) следует, что плотность заряда за время 7,2 ■ 10 с (2 часа) падает на 30% и дальше плавно снижается. Значение т определяли графически по наклону прямых в координатах 1п^ /q0) от 1: (рис. 3).
Рис. 2. Изменение относительной величины заряда ) от времени в образцах промежуточного слоя (сердцевине)
Величину накопленного полимерами заряда рассчитывали графическим интегрированием зависимостей тока от времени.
Значения электропроводности образцов ЛКП оценивали с помощью соотношения [2]: 1
О = £0£Т , (2)
где е0, е — диэлектрические проницаемости вакуума (е0 = 8,85 ■ 10-12 Ф ■ м-1) и исследуемого материала (е = 3 как среднее значение часто цитируемых в литературных источниках параметра диэлектрической проницаемости ЛКП) соответственно; т — время релаксации заряда (время жизни), с.
Время, с • 10 3
0 50 100 150 200 250
-0,2-0,4-
-0,6-0,8-1 -отн. ед.
Рис. 3. Зависимость изменения относительной величины заряда 1п(^ /д0) от времени в поляризованных образцах промежуточного слоя (сердцевине)
Из хода приведенных зависимостей (см. рис. 2,3) следует, что релаксация заряда во времени описывается более сложным, чем экспоненциальный закон, выражением с двумя временами релаксации 1,5 • 105, 1,5 • 106 с. Это свидетельствует о том, что заряды локализуются как в тонком поверхностном слое, так и в объеме лакокрасочного покрытия. Значения электропроводности, рассчитанные по уравнению (2), составили 1,8 • 10-16 и 1,8 • 10-17 См/м (р = 5,6 • 1017 Ом • см, р = = 5,6 • 1018 Ом • см).
Таким образом, образцы лакокрасочного покрытия под действием электрического поля поляризуются. Поляризация обусловлена локализацией зарядов как в тонком поверхностном слое, так и в объеме лакокрасочного покрытия. Значения
17 18
электрического сопротивления 5,6 • 10 —5,6 • 10 Ом • см, а также энергия активации (1,2 эВ) электрически активных дефектов близки к цитируемым для полимеров и полимерных материалов параметрам р и Жакт [1; 3]. Значение Жакт лакокрасочного покрытия близко к значениям энергии активации электрически активных дефектов в полистироле и полиэтилене, поляризованных с помощью неблокирующих электродов (в условиях инжекции заряженных частиц извне) [3]. Таким образом, электрически активными дефектами в образцах ЛКП могут быть не только различные элементы структуры покрытия как полимерного материала, но и заряженные частицы, например, в виде низкомолекулярных продуктов деструкции макромолекул или ионы примесей.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Лущейкин Г.А. Методы исследования электрических свойств полимеров. — М: Химия, 1998.
[2] Громов В.В. Электрический заряд в облученных материалах. — М.: Энергоиздат, 1982.
[3] Ходяков А.А., Громов В.В. Поляризация полиэтилена и полистирола, легированных бромом // Материаловедение. — 2003. — № 4. — С. 18—22.
[4] Ходяков А.А., Захарова Е.В., Меняйло К.А., Дарская Е.Н., Прошин И.М. Электрофизические и сорбционные свойства отожженных образцов аргиллита // Материаловедение. — 2007. — № 6. — С. 35—39.
[5] Гороховатский Ю.А., Бордовский Г.А. Термоактивационная токовая спектроскопия вы-сокоомных полупроводников и диэлектриков. — М.: Наука, 1991.
POLARIZATION OF SAMPLES OF THE PAINT AND VARNISH COVERING
A.A. Hodjakov, R.Kh. Aby-Nidzdim
Department of Motors Vehicles Operating
Engineering Faculty Peoples' Friendship University of Russia
Mikluho-Maklaya str., 8-3, Moscow, Russia, 117198
The mechanism of polarization of a lacquer coating is studied. It is established that polarization is caused by localization of charges, both in a thin blanket, and in covering volume. Electric resistance of samples has made 5.6 • 1017—5.6 • 1018 Ohm • cm, energy of activation responsible for a charge relaxation электрически active defects — 1.2 eV.
Key words: lacquer coating, polarization, charge localization, electrically active defects.
