Лако-красочные материалы — производство

Ранее было показано, что на величину краевого угла смачивания (гистерезис крае­вого угла смачивания) оказывает влияние шероховатость поверхности. Однако анализ этого эффекта недостаточно совершенен для того, чтобы использовать зна­чения красного угла смачивания в качестве меры для оценки топологии поверхно­сти. В гл. G будет показано, что на величину адгезии определенное влияние оказы­вает шероховатость поверхности. В связи с этим важное значение прноб|>етаст тот ({такт, что существуют методы исследования топологии поверхностей.

Основным методом топологического анализа, используемым исследователями, специализирующимися в области изучения адгезии, является электронная микро­скопия. Этот метод предусматривает проведение испытаний в вакууме, в условиях которою поверхность образца бомбардируется элскт|>онами. и измеряются либо прохождение этих электронов (просвечивающая электронная микроскопия ( /АЛ/)), либо вторичная эмиссия :>лект|юнов (электронная микроскопия на вторичных элек­тронах (SF. S1)) При использовании метода ТЕМ образцы разрезают до такой малой толщины, чтобы электроны имели возможность проходить сквозь образец. Контраст между падающим и проходящим излучением оценивают по отношению к электрон­ной плотности частиц в образце. Для частиц с более высокой атомной массой харак­терно проявление темных участков. Этот метод позволяет получать самое большое увеличение (увеличение достигает порядка SO 000-100 000 А’).

Метод SEM позволяет анализировать вторичные электроны, которые испускает образец. Контраст между падающим и испускаемым излучением также оценивают при помощи атомных масс; в данном случае для частиц, имеющих высокую атом­ную массу, характерно появление более светлых участков. Метод SEM прост в ис­пользовании и интерпретации результатов, однако не обладает таким высоким уве­личением, как метод ТЕМ. Типичное увеличение для метода SEM составляет около 50 000 X.

В последние годы были разработаны новые методы исследования, получившие название лондовой микроскопии. В этих методах тонкие механически обработанные зонды подводят очень близко к какой-либо поверхности и измеряют силу взаимо­действия наконечника зонда с поверхностью. Если образец представляет собой про­водник или полупроводник, зонд может быть подведен очень близко к поверхности образца, и на него подают смещающее электрическое напряжение. Это заставляет электроны проходить от наконечника зонда к поверхности образца. Наконечник зонда может сканировать поверхность и либо распространение тока, либо смещаю­щее электрическое напряжение можно регулировать с помощью схемы обратной связи. Уровень обратной связи может быть использован в качестве критерия для оценки морфологии поверхности. Подведенное напряжение или распространение тока могут быть представлены графически в виде функции растрового положения, и может быть получена некоторая топологическая картина. Данный метод может позволить получать картину топологии поверхности с очень высокой разрешающей способностью даже ниже атомного уровня. Этот метод получил название сканирую­щей туннельной микроскопии, или STM.

Интересной разновидностью метода STM является атомно-силовая микроскопия или ЛЕМ. В этом растровом зондовом методе какой-либо острый наконечник, из­готавливаемый обычно из керамического изоляционного материала, например, ни­трида кремния, прикрепляют к консольной балке. Тыльную поверхность балки по­крывают серебром, и лазерный луч отражается от этого зеркала. Отклонение балки соответствует отклонению лазерного луча. Если наконечник зонда находится очень близко к поверхности и ж»ч:ткость кронштейна незначительна, исследуемая система может подвергаться воздействию дисперсионных сил.

Образец устанавливают на пьезоэлектрический кристалл. Цепь обратной связи выполнена так, чтобы расстояние наконечника от поверхности сохранялось по­стоянным. Топологическое отображение поверхности можно получить, используя комбинацию выходного сигнала цепи обратной связи и напряжения, приложенного к пьезокристаллу. Атомное разрешение можно получить, используя метод ЛЕМ при­менительно к любому типу поверхности. В самых последних приборах наконечник балки не находится в постоянном контакте с поверхностью. Болес того, в случае пластичных материалов перемещение наконечника вдоль поверхности может при­водить к ложной информации о разрушении образца. В более новых типах прибо­ров наконечник «слегка постукивает* по поверхности, а не перемещается вдоль нее, уменьшая таким образом вероятность ее разрушения. К[юметого, этот измеритель­ный инструмент можно использовать для оценки зависимости усилие-расстояние между наконечником зонда и поверхностью. Используя этот метод, можно опреде­лить характерные особенности взаимодействия поверхности и наконечника зонда. Данный метод должен быть очень ценным инструментом при исследовании адге­зии, так как его применение позволяет использовать любой тип поверхности.

Еще одним преимуществом как метода А ИМ, так и метода STM является то. что они могут применяться в обычных атмосферных условиях и даже при погружении обралцои в жидкие среды.

1.7. Выводы

В настоящей главе были рассмотрены основные положения науки о поверхности, необходимые для получения представления о взаимосвязи между поверхностными явлениями и адгезией. В начале главы выполнен обзор основных сил, действующих между атомами и молекулами, которые определяют не только когезионную проч­ность материалов, но и силы, возникающие на поверхностях. Определен параметр, известный как поверхностная энергия, и описан серией феноменологических и тео­ретических методов. Большое значение придавалось оценке различия между поверх­ностной энергией твердого тела и поверхностным натяжением (энергией) жидко­стей. Описаны методы измерения поверхностной энергии твердого тела и жидкости. В частности, были подробно описаны два вида экспериментальных исследований, а именно метод, использующий прибор. тля оценки поверхностных сил и метод изме­рения краевого угла смачивания, щх-детавляющие собой инструменты для анализа поверхностной знеріхггнки твердых тел. Для подтверждения справедливости рассмо­трения адгезионных взаимодейст вий с точки зрения баланса энергии рассмотрена теория,/К/?. которую используют для анализа результатов измерения поверхност­ных сил. 11ри рассмотрении измерений краевого угла смачивания большое значение придавалось теоретическим работам Гуда и Джирифалко и теории Фаукса. Описаны также выполненные Зисманом изме|>ения критического поверхностного натяжения смачивания и сделан вывод об особой важносги этого параметра в пауке об адгезии.

В конце главы рассмотрены современные методы анализа поверхности. Рентге­новская фотоэлскт|х>нмая спектроскопия описана в качестве метода, наиболее ши­роко используемого в науке об адгезии для анализа химизма поверхности. Элек­тронная микроскопия представлена как метод, наиболее широко используемый для оценки микрогеометрии поверхности.