Контроль якості очищення поверхні

Вважають, що існує велика кількість різних методів з оцінки якості очищення поверхні деталей. Однак більшість з них або забруднюють контрольовану поверхню, або придатні для відносного контролю великих партій деталей.

Зупинимося коротко на деяких методах, які рекомендують використовувати в електровакуумній технології. Визначення слідів органічних забруднень:

а)метод розриву водної плівки. Він полягає в тому, що випробувані деталі занурюють на короткий час у ванну з деіонізованою водою, а потім виймають і після стікання надлишку води спостерігають за суцільністю водної плівки на їх поверхнях. Розрив водяної плівки свідчить про наявність на деталях гідрофобних забруднень.

Досвід показав, що повністю довірятись цьому методу не можна. Суцільна плівка може утворитися і забруднених деталях, що вони погано відмиті від миючих рідин, тобто. за наявності на поверхні таких деталей залишків поверхнево-активних речовин. Усунути помилкову змочуваність можна зануренням деталей у слабкий розчин кислоти, при цьому залишки миючих речовин, що є, переходять у гідрофобні жирні кислоти, що розривають водну плівку. Розглянутий досвід разом із додатковим зануренням у кислоту можна застосовувати лише вибіркового контролю. На точність методу розриву водної плівки впливає товщина шару води: що тонший шар, то точніше випробування. Тому час стікання з деталей надлишку води має значення, воно вибирається експериментально кожному за виду деталей. Зазвичай воно становить кілька десятків секунд.

б)метод розпилення. По суті, він схожий з методом розриву водної плівки і полягає в тому, що на досліджувану поверхню пульверизатором напилюється чиста вода. При цьомунапилення крапельки води або стуляються, утворюючи безперервну водну плівку, якщо поверхня чиста, або залишаються розрізненими у вигляді "висипу", якщо на поверхні є гідрофобні забруднення. Ступінь забруднення поверхні цей метод дозволяє виразити кількісно. З цією метою беруть скляну пластинку, на яку накладено прозорий папір з міліметровими поділками, і, розташувавши її так, щоб вона не торкалася краплинок води на забрудненій поверхні, окреслюють на ній контури забруднених ділянок з випробуваної поверхні, тобто ділянок, покритих крапель води. Підсумовуючи потім площу квадратів, зайняту крапельками, і знаючи величину загальної поверхні, знаходять їх відношення, яке і є вираженою кількісно ступінь забруднення випробуваної поверхні. Похибка цього способу становить кілька відсотків, що цілком прийнятно для практики. Контроль за цим методом необхідно проводити відразу після вилучення очищених деталей з ванни для прополіскування, не допускаючи їх висихання; інакше деталі можуть забруднюватись органічними аерозолями повітря. Час від моменту вилучення деталей з ванни до моменту нанесення на них води з пульверизатора підбирається експериментально, зазвичай він дорівнює 30-60 сек. Для кращої візуальності забруднень застосовують напилення на контрольну платівку води, що містить пігмент. Після утворення крапель пластинку сушать нагрівальною лампою, і на ній виникає контрастний малюнок забруднень, обумовлений тим, що на чистих ділянках в суцільній, але дуже тонкій плівці води міститься мало пігменту, а в краплях його значно більше.

Можна вказати ще додаткові методи контролю, засновані на явищі змочування поверхні водою, наприклад метод запітніння, метод конденсації, методвимірювання кута змочування;

в)метод вимірювання кута змочування. Цей метод широко використовується на кафедрі ТП та МЕТ. Відомо, що кількісним мірою змочуваності поверхні служить кут між дотичною до плівки води і випробуваною поверхнею.

Мал.1. Крайовий кут змочування

На малюнку 1 зображено крапля рідини, що знаходиться в рівновазі з твердою поверхнею та газом. В умовах рівноваги сума векторів поверхневих натягів на всіх трьох міжфазних поверхнях розділу дорівнює нулю:

(1)

У цьому випадку поверхневий натяг розглядається як сила, що діє в площині міжфазної поверхні розділу і прагне звести її до мінімальної. Переходячи до проекцій векторів на межу розділу твердої та газової фаз, отримаємо:

, (2)

звідки слідує рівняння Юнга для рівноважного крайового кута-змочування θ:

(3)

Крайовий кут змочування (θ) - це кут між дотичної до поверхні краплі рідини в точці дотику трьох фаз (твердої, рідкої та газоподібної) і поверхнею твердого тіла, виміряний всередині рідкої фази.

На поверхнях можуть спостерігатися неповне або повне змочування залежно від обраної рідини, що змочує, і від стану поверхні, від ступеня забруднення її, природи цих забруднень. Вимірюючи кут змочування поверхні рідини з різним поверхневим натягом, можна кількісно оцінити стан поверхні до очищення та різних етапах її проведення.

У таблиці 1.1 наведено рідини, які можуть бути використані для вимірювання крайових кутів змочування.

Поверхневий натяг деяких рідин на кордоні з повітрям

№ п\п	Рідина	σжг, мДж · м -2
Толуол	23,0
Ксилол	28,9
Нітробензол	44,0
Етиленгліколь	47,7
Формамід	58,2
Гліцерин	63,4
Вода	72,5

Адгезія рідини (змочування поверхні) обумовлена молекулярною взаємодією, яка виникає на межі розділу фаз рідина-тверде тіло.

Якщо рідина не утворює будь-яких хімічних зв'язків з матеріалом підкладки, поверхня останньої електрично нейтральна, а молекули твердого тіла мають малу поляризуемість, робота адгезії буде включати лише дисперсійну взаємодію молекул твердого тіла та рідини і диполь-дипольну взаємодію постійних диполів змочує рідини групами на твердій поверхні:

При цьому поверхневі натяги твердого тіла та рідини також складаються з двох компонентів:

У таблиці 1.2 наведено дисперсійні та полярні складові поверхневого натягу ряду рідин. Дисперсійна складова поверхневого натягу переважає у неполярних рідин, диполь-дипольна (полярна) – у полярних.

Рідина	Поверхневий натяг, ерг-см -2
σжг	σжг d	σжг р
Вода	72,8	13,8	59,0
Гліцерин	63,4	37,0	24,4
Формамід	53,2	39,5	18,7

Зв'язок між крайовим кутом змочування поверхні та відповідними компонентами поверхневого натягу рідини та твердого тіла виражається рівнянням Фаукса-Юнга:

(5)

Якщо ми експериментально визначимо кути змочування поверхні двома рідинами з різними значеннямидисперсійної та полярної компонент поверхневого натягу, то отримаємо систему двох рівнянь, в яких як невідомі будуть полярна та дисперсійна складові поверхневого натягу твердого тіла (σтг d і σтг p ). Розв'язавши цю систему рівнянь, отримаємо значення σтг d та σтг p та величину поверхневого натягу твердої фази

Проілюструємо процедуру розрахунку прикладом.

Вимірювання кута змочування поверхні плівок ПВХ водою та гліцерином дали наступні результати: θвода = 73°, θгліцерину = 66°.

Позначимо , , , , , .

Перепишемо рівняння (5) у вигляді:

Нехай для води та – для гліцерину.

Отримаємо систему двох лінійних рівнянь із двома невідомими:

За правилом Крамера, якщо визначник D цієї системи не дорівнює нулю, система має єдине рішення:

а D1 і D2 - визначники, що виходять з D при заміні елементів відповідно 1 і 2 стовпця відповідними вільними членами та :

Зведемо необхідні розрахунку дані у таблицю 1.3.

Рідина	σжг d , ерг·см -2		σжг p , ерг·см -2		θ, град		, ерг·см -2
Вода	13,8	3,71	58,7	7,66	0,29	46,76
Гліцерин	37,0	6,08	26,4	5,14	0,41	44,70

Виходить система двох рівнянь:

рішенням якої будуть:

; ;

Точність такого способу визначення поверхневої енергії залежить як від точності вимірювання кутів змочування, так і від справедливості припущення, що поверхнева енергія складається лише з двох компонентів - дисперсійної та дипольної (полярної).