ระบบการเตรียมพื้นผิวก่อนการเคลือบแบบผงช่วยเพิ่มการยึดเกาะของการเคลือบแบบผงได้อย่างไร

เหตุใดการเตรียมพื้นผิวก่อนการเคลือบแบบผงจึงเป็นสิ่งพื้นฐานสำคัญต่อการยึดเกาะของการเคลือบแบบผง

พลังงานผิว สิ่งปนเปื้อน และความสามารถในการแพร่กระจายของสารเคลือบ: หลักฟิสิกส์ของการเกิดพันธะ

วิธีที่ผงเคลือบยึดติดกับพื้นผิวนั้นขึ้นอยู่เป็นหลักกับสิ่งที่เกิดขึ้นในระดับโมเลกุลระหว่างวัสดุที่จะเคลือบกับตัวผงเคลือบเอง พลังงานผิวมีบทบาทสำคัญมากในกรณีนี้ เนื่องจากมันกำหนดว่าผงที่มีประจุไฟฟ้าจะกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอบนพื้นผิวได้ดีเพียงใดเมื่อใช้วิธีการฉีดพ่นแบบไฟฟ้าสถิต เมื่อมีสิ่งสกปรกปนอยู่ เช่น น้ำมัน ชั้นออกซิเดชัน หรือไอออนที่เหลือค้างจากกระบวนการก่อนหน้า สิ่งสกปรกเหล่านี้จะสร้างบริเวณที่มีพลังงานผิวต่ำ โดยทั่วไปต่ำกว่า 30 ไดน์ต่อเซนติเมตร ซึ่งส่งผลให้เกิดปัญหาต่าง ๆ เช่น การเกิดเม็ดกลมบนพื้นผิว (beading) รอยบกพร่องแบบ 'ตาปลา' (fish eye) ที่น่ารำคาญ และแรงแวนเดอร์วาลส์ (Van der Waals forces) ที่อ่อนแอลง แทนที่จะเกิดพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแรงและคงทนนานกว่า วิธีการล้างและเตรียมพื้นผิวอย่างเหมาะสมจะช่วยเพิ่มระดับพลังงานผิวให้อยู่ที่ประมาณ 50 ถึงมากกว่า 60 ไดน์ต่อเซนติเมตร เมื่อพลังงานผิวอยู่ในระดับที่สูงขึ้นนี้ ผงเคลือบจะสามารถไหลซึม (wet) บนพื้นผิวได้อย่างเต็มที่ และก่อให้เกิดพันธะทางเคมีที่จำเป็นต่อความทนทานอย่างยาวนานในการใช้งานจริง

ความขรุขระในระดับจุลภาคและการยึดเกาะทางเคมี: วิธีการเตรียมพื้นผิวก่อนการเคลือบทำให้พื้นผิวพร้อมรับการเคลือบ

กระบวนการเตรียมพื้นผิวก่อนการเคลือบเปลี่ยนพื้นผิวที่ไม่เกิดปฏิกิริยาให้กลายเป็นพื้นผิวที่มีปฏิกิริยาทางเคมี โดยใช้วิธีหลักสองวิธี ได้แก่ การกัดพื้นผิวในระดับจุลภาคอย่างควบคุมได้ และการปรับเปลี่ยนองค์ประกอบทางเคมีของพื้นผิว เมื่อเราใช้สารเคลือบแบบแปลงผิว (conversion coatings) ที่มีส่วนประกอบหลักเป็นเซอร์โคเนียม จะเกิดลักษณะพื้นผิวขนาดเล็กมากในระดับนาโนเมตร ซึ่งมีค่าความขรุขระเฉลี่ยอยู่ที่ประมาณ 0.2 ถึง 0.5 ไมครอน ส่งผลให้พื้นที่ผิวโดยรวมเพิ่มขึ้นสูงสุดถึงร้อยละ 400 ซึ่งพื้นผิวที่มีขนาดใหญ่ขึ้นนี้ช่วยส่งเสริมการยึดเกาะเชิงกล (mechanical locking) ให้มีประสิทธิภาพดียิ่งขึ้น พร้อมกันนั้น สารเคลือบเหล่านี้ยังสร้างชั้นฟอสเฟตหรือไซเลน (silane) ที่สามารถยึดเกาะทางเคมีกับโลหะได้ รวมทั้งยังสามารถยึดติดกับโครงสร้างหลักของพอลิเมอร์เทอร์โมเซ็ต (thermoset polymers) ได้อีกด้วย นี่คือเหตุผลที่ชิ้นส่วนที่ผ่านกระบวนการเตรียมพื้นผิวก่อนการเคลือบดังกล่าวจะมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นประมาณสิบเท่าเมื่อทดสอบภายใต้มาตรฐานการพ่นละอองเกลือ (salt spray test) ตามมาตรฐาน ASTM B117 และยังมีแนวโน้มที่จะแข็งตัว (cure) อย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งมวลสาร โดยมีการเกิดพันธะข้าม (cross linking) อย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งวัสดุ

ขั้นตอนหลักของระบบเตรียมพื้นผิวก่อนการเคลือบด้วยผงสี

การทำความสะอาด: กำจัดน้ำมัน ออกไซด์ และสารตกค้างแบบไอออนิกด้วยสารเคมีชนิดเบสหรือสารเคมีผสม

สิ่งแรกที่จำเป็นต้องทำอย่างยิ่งก่อนขั้นตอนอื่นใดคือการล้างทำความสะอาด สารทำความสะอาดชนิดด่าง (alkaline cleaners) ออกฤทธิ์ต่อสิ่งสกปรกเชิงอินทรีย์ผ่านกระบวนการที่เรียกว่า การซาโปนิฟิเคชัน (saponification) สารสูตรใหม่บางชนิดผสมผสานองค์ประกอบทั้งแบบด่างและกรดเข้าด้วยกัน เพื่อจัดการกับคราบมันและคราบแร่ที่ฝังแน่นอย่างเหนียวแน่น ส่วนไอออนที่มองไม่เห็นซึ่งยังคงตกค้างอยู่นั้น ต้องอาศัยสารจับเชิงซ้อน (chelating agents) เข้ามาช่วย โดยสารเหล่านี้ทำหน้าที่กำจัดสิ่งรบกวนขนาดจิ๋วเหล่านี้ซึ่งหากยังคงเกาะอยู่จะทำให้ชั้นเคลือบเสียหายได้ ตามรายงานจากภาคอุตสาหกรรม ปัญหาเกี่ยวกับการเตรียมพื้นผิวประมาณสามในสี่ของทั้งหมดนั้นแท้จริงแล้วเกิดจากวิธีการล้างทำความสะอาดที่ไม่เหมาะสม ดังนั้นการดำเนินขั้นตอนนี้อย่างถูกต้องจึงมีความสำคัญยิ่ง หากเราต้องการให้เกิดการยึดติดระหว่างวัสดุที่แข็งแรงและคงทนยาวนาน

การล้างออกและการควบคุมค่า pH: รับประกันค่าการนำไฟฟ้าต่ำกว่า 50 ไมโครซีเมนส์/เซนติเมตร (µS/cm) เพื่อป้องกันจุดที่ทำลายการยึดเกาะและปัญหาการพาสารตกค้างไปยังขั้นตอนถัดไป

กระบวนการล้างช่วยขจัดสารเคมีที่ใช้ในการทำความสะอาดที่เหลืออยู่ออก และคืนค่าค่า pH ของพื้นผิวให้กลับสู่ระดับปกติ การรักษาค่าการนำไฟฟ้าของน้ำที่ใช้ล้างให้อยู่ต่ำกว่า 50 ไมโครซีเมนส์ต่อเซนติเมตรมีความสำคัญอย่างยิ่ง เพื่อป้องกันการเกิดคราบแร่ที่รบกวนการทำงาน รวมทั้งหลีกเลี่ยงการสะสมของสิ่งสกปรกที่ทำลายความสามารถในการยึดเกาะ (adhesion-killing deposits) และการปนเปื้อนแบบถ่ายโอน (contamination carryover) โรงงานส่วนใหญ่บรรลุมาตรฐานนี้โดยใช้น้ำที่ผ่านกระบวนการกำจัดไอออน (deionized water) ทั่วทั้งกระบวนการผลิต ในปัจจุบัน โรงงานส่วนใหญ่ติดตั้งเซ็นเซอร์วัดค่าการนำไฟฟ้าแบบอัตโนมัติ เพื่อให้สามารถตรวจสอบค่าดังกล่าวได้แบบเรียลไทม์ เมื่อบรรษัทละเลยขั้นตอนการล้างอย่างเหมาะสม ข้อบกพร่องขนาดเล็กจะเริ่มปรากฏบนพื้นผิว ผลการทดสอบในอุตสาหกรรมแสดงให้เห็นว่า ปัญหาเล็กๆ เหล่านี้สามารถเร่งกระบวนการกัดกร่อนให้เร็วขึ้นประมาณสามเท่า เมื่อเปรียบเทียบกับพื้นผิวที่ได้รับการดูแลอย่างเหมาะสมภายใต้การจำลองในห้องปฏิบัติการ

การแปลงสภาพหรือการเคลือบแบบฟิล์มบาง: การสะสมสารฐานเซอร์โคเนียม ไทเทเนียม หรือไซเลน เพื่อสร้างพันธะเชื่อมระหว่างพื้นผิวที่มีความทนทาน

ขั้นตอนสุดท้ายคือการเคลือบชั้นสารเคมีที่บางมาก ซึ่งมีความหนาน้อยกว่า 100 นาโนเมตร โดยใช้วัสดุเช่น เซอร์โคเนียม ไทเทเนียม หรือสารประกอบไซเลน สารเหล่านี้จะสร้างพันธะทางเคมีที่แข็งแรงกับทั้งวัสดุพื้นฐานและชั้นเคลือบโพลิเมอร์แบบผง เมื่อใช้เซอร์โคเนียมหรือไทเทเนียม สารเหล่านี้จะสร้างโครงสร้างผลึกขนาดเล็กจิ๋วที่ช่วยยึดทุกส่วนเข้าด้วยกันแบบกลไก ส่วนการรักษาด้วยไซเลนนั้นทำงานต่างออกไป โดยจะสร้างโครงข่ายซิลอกเซนที่ทนทานแทน การทดสอบแสดงให้เห็นว่าการเคลือบพิเศษเหล่านี้สามารถเพิ่มความแข็งแรงในการยึดเกาะได้ระหว่างร้อยละ 60 ถึง 80 ตามมาตรฐาน ASTM D3359 นอกจากนี้ยังทำให้พื้นผิวมีความต้านทานต่อปัญหาการกัดกร่อนได้ดีขึ้นอย่างมาก ข้อได้เปรียบของวิธีการนี้อีกประการหนึ่งคือสามารถดำเนินการได้ที่อุณหภูมิห้องปกติโดยไม่จำเป็นต้องให้ความร้อนเพิ่มเติม เมื่อเปรียบเทียบกับระบบที่ใช้ฟอสเฟตแบบเก่า เทคโนโลยีใหม่นี้ช่วยลดการใช้พลังงานลงประมาณร้อยละสี่สิบในกระบวนการผลิต

ตัวเลือกการเตรียมพื้นผิวก่อนการเคลือบแบบทันสมัย: การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของระบบฟอสเฟต กับ ระบบฟิล์มบาง

สังกะสีฟอสเฟต กับ ซิร์โคเนียม-ไทเทเนียม: ความแข็งแรงในการยึดเกาะ (ASTM D3359) และความต้านทานต่อการกัดกร่อน (ASTM B117)

เป็นเวลาหลายปีมาแล้วที่สารเคลือบซิงค์ฟอสเฟตได้พิสูจน์ประสิทธิภาพของตนเองซ้ำแล้วซ้ำเล่าในด้านความสามารถในการยึดเกาะและป้องกันสนิม สารเคลือบประเภทนี้โดยทั่วไปจะได้ระดับการยึดเกาะอยู่ที่ระดับ 4B ถึง 5B ตามมาตรฐาน ASTM D3359 และสามารถคงทนได้นานตั้งแต่ 500 ถึง 700 ชั่วโมงก่อนเริ่มแสดงอาการเกิดสนิมแดงภายใต้การทดสอบพ่นละอองเกลือตามมาตรฐาน ASTM B117 สิ่งที่น่าสนใจคือ ระบบฟิล์มบางชนิดใหม่ที่ใช้เซอร์โคเนียม-ไทเทเนียม กำลังทำผลงานได้ไม่แพ้สารเคลือบแบบดั้งเดิมเหล่านี้เลยทีเดียว ทางเลือกสมัยใหม่เหล่านี้สามารถบรรลุระดับการยึดเกาะสูงสุดที่ 5B ได้อย่างสม่ำเสมอ พร้อมทั้งให้ความต้านทานต่อการกัดกร่อนในระดับที่ใกล้เคียงกัน นอกจากนี้ยังมีข้อได้เปรียบสำคัญอีกประการหนึ่ง คือ สามารถลดปริมาณตะกอน (sludge) ที่เกิดขึ้นได้มากกว่าครึ่งหนึ่งเมื่อเทียบกับวิธีการแบบดั้งเดิม สำหรับผู้จัดการโรงงานที่ต้องเผชิญกับกฎระเบียบด้านสิ่งแวดล้อมที่เข้มงวดขึ้นเรื่อยๆ นี่หมายความว่าพวกเขาสามารถรักษาคุณภาพผลิตภัณฑ์ไว้ได้ในไลน์การเคลือบผงแบบอัตโนมัติ โดยไม่ฝ่าฝืนข้อกำหนดของหน่วยงานกำกับดูแล

Oxsilan® และ Gardobond®: ประสิทธิภาพเชิงนิเวศ ความหนาของฟิล์ม (< 100 นาโนเมตร) และความเข้ากันได้กับระบบเตรียมพื้นผิวก่อนเคลือบผงอัตโนมัติ

Oxsilan® และ Gardobond® คือสิ่งใหม่ล่าสุดในเทคโนโลยีการเตรียมพื้นผิวก่อนเคลือบ สารเคลือบเหล่านี้มีความบางมาก (ความหนาน้อยกว่า 100 นาโนเมตร) ก่อให้เกิดของเสียน้อยมาก และทำงานร่วมกับสายการผลิตอัตโนมัติที่มีความเร็วสูงได้อย่างยอดเยี่ยม ชั้นนาโนที่พวกมันสร้างขึ้นช่วยลดการใช้น้ำลงประมาณ 35 ถึง 40 เปอร์เซ็นต์ ประหยัดค่าใช้จ่ายด้านพลังงานได้ราว 30 เปอร์เซ็นต์ เนื่องจากสามารถทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่า และแทบไม่ก่อให้เกิดตะกอนเลย ทั้งนี้ เราได้สังเกตเห็นว่าสารเคลือบเหล่านี้ให้ผลการทำงานที่ดีแม้ในอัตราความเร็วของสายการผลิตสูงกว่า 8 เมตรต่อนาที จุดเด่นที่ทำให้วัสดุเหล่านี้โดดเด่นคือความสามารถในการเคลือบพื้นผิวอย่างสม่ำเสมอและแม่นยำ พร้อมรักษาคุณสมบัติการยึดเกาะที่แข็งแรงไว้ได้อย่างต่อเนื่อง ความน่าเชื่อถือในประสิทธิภาพนี้เอง จึงเป็นเหตุผลสำคัญที่อัตราการนำไปใช้งานจริงเพิ่มขึ้นประมาณ 27 เปอร์เซ็นต์เมื่อปีที่ผ่านมา ขณะที่ผู้ผลิตกำลังเผชิญกับข้อกำหนดที่เข้มงวดยิ่งขึ้นจากสำนักงานคุ้มครองสิ่งแวดล้อมสหรัฐอเมริกา (EPA) ซึ่งเกี่ยวข้องกับมาตรฐานการปล่อยน้ำเสีย

ผลกระทบในโลกแห่งความเป็นจริง: ความล้มเหลวของระบบเตรียมพื้นผิวก่อนเคลือบส่งผลต่อความล้มเหลวของการยึดเกาะในสนามจริงอย่างไร

เมื่อการเตรียมพื้นผิวก่อนการใช้งานไม่ได้รับการดำเนินการอย่างเหมาะสม ปัญหาความล้มเหลวในสนามจะเกิดขึ้นบ่อยครั้ง โดยส่วนใหญ่แล้ว เราพบว่ากาวหลุดออกจากพื้นผิว แทนที่จะเป็นตัวสารเคลือบเองที่เสื่อมสภาพ ตามรายงานอุตสาหกรรมจากปีที่ผ่านมา ประมาณ 7 ใน 10 กรณีที่กาวล้มเหลว เกิดจากข้อผิดพลาดระหว่างขั้นตอนการทำความสะอาดหรือล้างออก พื้นผิวที่มีสิ่งสกปรกปนเปื้อนยังคงเป็นปัญหาหลักที่ก่อให้เกิดความล้มเหลวประเภทนี้ วัสดุที่ไม่สามารถบรรลุค่าพลังงานผิว (surface energy) ที่เหมาะสม ซึ่งอยู่ระหว่าง 40–60 ดายน์ต่อเซนติเมตร ในการทดสอบ มักจะไม่สามารถยึดติดได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งอาจเกิดขึ้นได้จากการขจัดคราบไขมันไม่เพียงพอ ความนำไฟฟ้าของน้ำในขั้นตอนการล้างออกผิดปกติ หรือกระบวนการแปลงผิว (conversion process) ไม่เสร็จสมบูรณ์ สิ่งที่ตามมาคือค่าใช้จ่ายในการแก้ไขที่สูง ชิ้นส่วนอุปกรณ์สึกหรอเร็วกว่าที่คาดไว้ และความเสียหายต่อชื่อเสียงของบริษัท ลองนึกถึงอาคารขนาดใหญ่ที่มีผนังกระจกหรูหรา หรือเครื่องจักรหนักสำหรับงานก่อสร้างขนาดยักษ์ สำหรับการใช้งานที่สำคัญเช่นนี้ การเตรียมพื้นผิวก่อนการใช้งานไม่ใช่เพียงแค่ขั้นตอนหนึ่งในกระบวนการเท่านั้น แต่กลับเป็นหนึ่งในการตัดสินใจทางวิศวกรรมที่สำคัญที่สุดที่ต้องทำตั้งแต่เนิ่นๆ ซึ่งจะส่งผลโดยตรงต่ออายุการใช้งานจริงของทุกสิ่งภายใต้สภาวะแวดล้อมจริง

คำถามที่พบบ่อย

พลังงานผิวคืออะไร และทำไมจึงมีความสำคัญต่อการเคลือบผง?

พลังงานผิวคือการวัดระดับความสามารถของพื้นผิวในการทำปฏิกิริยากับสารเคลือบ พื้นผิวที่มีพลังงานผิวสูงจะช่วยให้สารเคลือบไหลแผ่กระจายได้ดีขึ้น (wetting) และยึดเกาะได้แน่นขึ้น ส่งผลให้เกิดพันธะที่แข็งแรงและทนทานยิ่งขึ้น

การเตรียมพื้นผิวก่อนเคลือบช่วยเพิ่มการยึดเกาะของการเคลือบผงอย่างไร?

การเตรียมพื้นผิวก่อนเคลือบช่วยเพิ่มการยึดเกาะโดยการเพิ่มพลังงานผิว กำจัดสิ่งสกปรก และสร้างความหยาบแบบไมโคร (micro-roughness) ซึ่งช่วยให้เกิดการยึดเกาะเชิงกลและเชิงเคมีที่ดีขึ้นระหว่างวัสดุพื้นฐานกับสารเคลือบ

ข้อดีของการใช้เซอร์โคเนียมหรือไทเทเนียมในการเตรียมพื้นผิวก่อนเคลือบคืออะไร?

เซอร์โคเนียมและไทเทเนียมให้การยึดเกาะเชิงเคมีที่แข็งแรงและการล็อกเชิงกลที่มีประสิทธิภาพ ช่วยเพิ่มความแข็งแรงในการยึดเกาะอย่างมาก โดยไม่จำเป็นต้องใช้อุณหภูมิสูง จึงช่วยลดการใช้พลังงาน

Oxsilan® และ Gardobond® ช่วยปรับปรุงกระบวนการผลิตอย่างไร?

โซลูชันการเตรียมพื้นผิวก่อนการเคลือบสมัยใหม่เหล่านี้ช่วยลดการใช้น้ำและพลังงาน ลดของเสียให้น้อยที่สุด และเข้ากันได้ดีกับสายการผลิตอัตโนมัติความเร็วสูง จึงเป็นทางเลือกที่มีประสิทธิภาพและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม