УДК 539.219.2

DOI 10.24411/1683-805X-2019-14010

 

Проанализированы существующие методы определения внутренних (остаточных, усадочных) напряжений, возникающих при отверждении тонких пленок лакокрасочных покрытий, основанные на консольном изгибе подложки и разности толщин мокрого и сухого покрытия соответственно. Выявлена зависимость точности результатов от соотношения толщин пленка/подложка и однородности нанесенной пленки. Рассмотрено применение методов атомно-силовой микроскопии, основанных на измерении геометрии регулярного микрорельефа поверхности пленки, отражающего характерные проявления ее усадочных деформаций. Отмечено, что при применении задачи Эйлера об устойчивости сжатого стержня метод демонстрирует недостижимые для большинства полимеров расчетные значения напряжения. Проведена аналогия между процессом формирования регулярного микрорельефа отверждающегося лакокрасочного покрытия и образованием волн на поверхности глубокой жидкости. Рассмотрена гипотеза, в которой лакокрасочное покрытие на начальной стадии отверждения представляется как двуслойная система, состоящая из тонкого эластичного и нижележащего глубокого вязкоупругого слоя. Гофрирование внешней поверхности лакокрасочного покрытия на ранней стадии рассматривается как разновидность процесса возникновения волн на поверхности глубокой жидкости. Предложены уточненная методика расчета уровня внутренних напряжений на основе параметров регулярного микрорельефа и формула расчета внутренних напряжений по геометрическим характеристикам неровностей отвержденного профиля независимо от механических свойств и размеров подложки. На примере регулярного микрорельефа пленки полиэфируретанового лака проведена оценка уровня внутренних напряжений с использованием предлагаемой и существующих методик. Разница значений величин внутренних напряжений, полученных тремя методами, не превышает 20 %.

Ключевые слова: лакокрасочное покрытие, подложка, регулярный микрорельеф, усадка, усадочные напряжения, внутренние напряжения, отверждение, полиэфируретановый лак, тонкая пленка

 

Internal stress evaluation in polymer films by the characteristic surface microcorrugation

The paper analyzes the existing methods for the determination of internal residual and shrinking stresses that arise during curing of paint coating film, which are based on the cantilever bending of the substrate and the difference in the thickness of wet and dry coatings, respectively. It is shown that the accuracy of the methods depends on the film-to-substrate thickness ratio and the homogeneity of the deposited film. Atomic force microscopy is applied to measure the geometry of regular microcorrugation on the film surface which serves as a characteristic manifestation of film shrinkage deformation. It is found that when applying the Euler problem on the stability of a compressed rod, the method gives the stress values unattainable by most polymers. An analogy is drawn between the formation of regular microcorrugation on the cured paint coating surface and the formation of waves on the surface of a deep liquid. A hypothesis is discussed in which the paint coating at the initial stage of curing is considered as a two-layer system consisting of a thin elastic layer and an underlying viscoelastic layer. The early corrugation of the outer paint coating surface is thought to resemble the formation of waves on the deep liquid surface. An improved method is proposed for calculating the internal stresses based on the regular microcorrugation parameters. A formula is derived for the internal stress determination by the geometric characteristics of the cured coating corrugations, regardless of the mechanical properties and dimensions of the substrate. The proposed and existing methods are used for the internal stress evaluation by the example of polyurethane varnish film with regular microcorrugation. The internal stress values obtained by the three methods are relatively the same; the difference between them does not exceed 20%.

Keywords: paint coating, substrate, regular microcorrugation, shrinkage, shrinking stresses, internal stresses, curing, polyurethane varnish, thin film

 

А.М. Пашаев, А.Х. Джанахмедов, А.А. Алиев  Оценка внутренних напряжений полимерных пленок по характерному микропрофилю поверхности // Физ. мезомех. - 2019. - Т. 22. - № 4. - С. 95-100