Рекомендации по очистке поверхности от кремний-содержащих загрязнений

Эдвард М. Петри, «EMP Solutions» (Мир гальваники 2014)
Исследования показали, что единственный эффективный способ выявления крайне тонких пленок, содержащих кремний-органические соединения – это традиционный метод угла контакта с водой.

Поскольку качество декоративных и защитных покрытий зависит от силы сцепления с подложкой, состояние и свойства этой поверхности имеют критически важное значение для получения конечного продукта с высокими эксплуатационными характеристиками. Одним из основных параметров, влияющих на качество исходной поверхности, является ее чистота или отсутствие загрязнений, которые могут ослабить силу сцепления с покрытием.

Возможные источники загрязнения – очень разнообразны и многочисленны. Некоторые из них приводятся в Таблице 1, но этот список далеко не полон.

Как показывает мой собственный опыт работы на производстве, причиной большинства проблем с адгезией является некачественная подготовка поверхности. Часто в отсутствии достаточно прочной связи винят покрытие или технологию его нанесения, но в действительности корень всех дефектов, связанных с поверхностью, следует искать в межфазном слое. К сожалению, слабые связи между несколькими слоями покрытия – очень распространенная проблема и она может принимать многообразные формы.

Пожалуй, загрязнения, содержащие кремний или его производные можно назвать самыми проблематичными, поскольку вызываемые ими трудности возникают постепенно и развиваются без явных симптомов. Главная причина этого – в том, что кремний обладает превосходной смачиваемостью по отношению практически к любой поверхности, а также в неспособности адгезионных и декоративных покрытий образовывать прочные связи с кремнием.

Источников загрязнения кремнийсодержащими веществами – великое множество, и они обладают способностью попадать из одного производственного участка на другой как посредством прямого физического контакта, так и по воздуху, например, через вентиляцию. Более того, кремний-содержащие загрязнения представляют значительные трудности и расходы при обнаружении и устранении.

Механизм образования загрязнений

Кремний-органические соединения – крайне нестандартные вещества, поскольку могут как улучшить, так и ухудшить адгезию. Они обладают низкой поверхностной энергией, благодаря чему очень быстро смачивают любую поверхность. Как результат, покрытия на основе кремний-органических соединений обладают высокой силой сцепления практически со всеми известными поверхностями. Некоторые составы на основе кремний-органических соединений даже применяются в качестве усилителей адгезии.

Тем не менее, если кремний-органические соединения (в жидком или твердом состоянии) попадают на подложку, это вызывает серьезные проблемы. Обладая низкой поверхностной энергией, кремний, содержащийся на поверхности, не позволяет другим адгезивным материалам, уплотнителям или покрытиям смачивать ее или образовать с ней сильную связь. Прекрасным примером тому может служить так называемая «антивандальная» краска, которая прекрасно сцепляется с поверхностью, однако противостоит нанесению любых других красящих материалов.

При попадании на обрабатываемую поверхность нежелательных кремний-органических соединений образуется так называемый межфазный слой. Кремний-содержащие загрязнения не позволяют образоваться прямому контакту между покрытием и подложкой. В специализированных технических изданиях описывается несколько случаев того, как кремний-содержащие загрязнения приводили к серьезным проблемам с качеством продукции. Согласно статистическим данным, кремний-содержащие соединения становятся причиной более трети проблем с покрытиями, с которыми ежегодно сталкиваются авиастроительные предприятия.

Загрязнения всего половины монослойного покрытия площади обрабатываемой поверхности достаточно, чтобы вызвать значительное ухудшение силы сцепления [1]. Проблемы, связанные с наличием кремния или содержащих его компонентов на поверхности, не ограничиваются снижением силы сцепления с адгезивными или уплотняющими покрытиями. Даже в микроскопических количествах кремний способен вызвать такие дефекты грунтовочного и лакокрасочного слоя и других покрытий, как «рыбья чешуя», отслаивание и потеря сцепления с поверхностью.

Источники кремний-содержащих загрязнений различны: смазка для пресс-форм, клейкая лента, смазочные материалы и другие адгезивные и уплотняющие материалы, имеющие в своем составе кремний. Это вещество может попасть на обрабатываемую поверхность путем прямого контакта с тем или иным материалом или оборудованием. Человек также может быть потенциальным «носителем» загрязнений. Большинство кремов, косметических средств, средств для укладки волос, антиперсперантов и даже салфетки для очков имеют в своем составе кремний-содержащие компоненты.

Будучи высоколетучим веществом, кремний способен оказаться на обрабатываемой поверхности и без прямого контакта с источником загрязнения. Так, например, на одном автомобилестроительном предприятии серьезные проблемы с качеством поверхности были вызваны тем, что кремнийорганическая маска для пресс-форм попадала по вентиляционным трубам из одной части завода в другую, где обрабатывались другие детали и компоненты.

Обнаружение загрязнений на поверхности

Выявление кремний-органических соединений на поверхности имеет большое значение не только как один из этапов контроля качества обработки, но и для определения возможной причины быстрого отслаивания/другого дефекта покрытий. Для этих целей можно использовать такие аналитические методы дефектоскопии, как рентгеновская фотоэмиссионная спектроскопия, сканирующая микроскопия Оже, инфракрасная спектроскопия на основе преобразования Фурье, сканирующая электронная микроскопия и энергодисперсная рентгеновская спектроскопия. Выбор зависит от специфики каждого конкретного загрязнения и наличия того или иного оборудования, а также специалистов, умеющих его использовать.

Достаточно эффективным аналитическим методом дефектоскопии можно назвать рентгеновскую фотоэмиссионную спектроскопию высокого разрешения. Стандартная рентгеновская фотоэмиссионная спектроскопия не позволяет выявить различия между элементарным кремнием, который может быть одним из компонентов какого-либо состава, и солью кремневой кислоты, которая входит в состав материала подложки или использоваться в качестве добавки к

адгезионному или функциональному покрытию. Но рентгеновская фотоэмиссионная спектроскопия высокого разрешения различает эти две группы посредством определения разницы, имеющей место в результате химического сдвига[1].

Однако, как показала практика, большинство аналитических методик неспособно выдать достоверные результаты при исследовании тонких покрытий. Исследования доказали, что единственным эффективным способом дефектоскопии крайне тонких поверхностных пленок, содержащих кремний, является традиционный метод угла контакта с водой. Чувствительность этого метода позволяет безопасно обнаружить наличие нежелательного слоя от 5 Х 10-3 μм.

Очистка

Очистка поверхности от кремний-содержащих загрязнений с помощью ткани, смоченной в растворителе, как правило, способствует повышению адгезии, но крайне редко возвращает поверхность к исходным показателям[3]. Для тех, кто предпочитает традиционные растворители и уделяет особое внимание характеристикам растворимости, можно порекомендовать в первую очередь гексан, гептан, толуол и изопропиловый спирт.

Несмотря на то, что эти средства хорошо подходят для удаления кремнийорганических жидкостей, эффективных растворителей силиконовых смазок и клеев найти не удалось.

Было проведено несколько исследований в области очистки поверхностей от загрязнений кремний-органическими соединениями. В рамках одного из экспериментов кремний-органические соединения разных типов нанесли на стеклянную поверхность, которую затем попытались очистить с помощью салфеток, пропитанных различными очищающими средствами. Эффективность очистки определяли методом угла контакта с водой. Очистку выполняли с помощью стандартных бумажных полотенец, смоченных в очищающем средстве, которыми протирали намеренно загрязненные участки образцов. Очистка производилась пять раз для каждого из загрязненных образцов. Перед каждым разом полотенце смачивали заново.

Результат данных испытаний и подробные характеристики загрязнений и очищающих растворов приводятся в Таблице 2. Ни одно из чистящих средств не смогло доказать свою универсальность, т.е. эффективность для всех видов загрязнений. Было установлено, что некоторые загрязнения представляют особые трудности при очистке (например, вакуумные смазки), а определенные растворы подходят для обработки только крайне специфических видов загрязнений.

Следует отметить, что на отраслевом рынке существует еще несколько чистящих растворов, не приведенных в Таблице 2. Как утверждают их производители, эти средства обладают превосходной способностью удалять кремниевые отложения с различных поверхностей.

Некоторые из них перечислены ниже:

  • растворитель кремний-органических загрязнений DowCorning DS-2025 (для очистки отвержденного кремния),
  • водный растворитель для кремний-органических соединений DowCorningDS-1000 (для очистки неотвержденного кремния),
  • чистящий раствор для автостекол BetabradeF1 (от DowAutomotiveSystems).

Одним из возможных вариантов решения проблемы кремний-содержащих загрязнений может быть дробеструйная очистка, однако, применяя ее, следует помнить о ряде особенностей этого метода очистки, которые могут вызвать определенные затруднения. Дробь, используемая для обработки, может быть загрязнена кремний-органическими соединениями, присутствующими на очищаемой поверхности,и передать эти загрязнения следующей партии изделий, поданных на обработку. Если технологический процесс очистки, предусматривающий обработку в растворителе, после которой следует дробеструйная обработка и снова обработка в растворителе, будет нарушен, загрязнение может проникнуть в поверхность глубже, усугубив ее состояние и сложность удаления. Кроме того, нарушение технологии может привести к более серьезной проблеме: внешне поверхность будет выглядеть чистой, однако кремний-органические соединения, проникшие внутрь, продолжат свое воздействие, что скажется на адгезионных качествах поверхности через некоторое время.

Распыление CO2 также исследовалось на эффективность для очистки поверхностей большой площади (таких, как элементы солнечной батареи, например). С помощью распыления под давлением удается добиться зрительной чистоты поверхности, однако CO2 лишь частично растворяет кремний-органические соединения и после такой очистки, как правило, их остатки всееще присутствуют на поверхности.

Профилактика загрязнения

Четкая классификация и категоризация всех входящих материалов может помочь предотвратить попадание нежелательных источников загрязнения в зону нанесения покрытий.Из-за серьезности проблем, описанных выше, к которым приводит загрязнение кремний-содеражщими веществами, металлообрабатывающие производства стремятся свести к минимуму использование кремния. Под это сокращение попали смолы, прошедшие вулканизацию при комнатной температуре, добавки к прессосъемам, клейкие ленты, смазки, масла и другие продукты, имеющие в своем составе кремний.

Печи и сушильные камеры – еще один распространенный источник загрязнения. Внутри камеры/печи должна постоянно поддерживаться чистота во избежание попадания на обрабатываемые в ней изделия пыли, нежелательных частиц и других загрязнений, которые могут негативно повлиять на качество обработки.

Химические вещества – в жидком или парообразном виде – также относятся к возможным источникам загрязнения. Испарения веществ, содержащих кремний (пеногасители, растворы для нанесения покрытий, герметики и т.д.) представляют особые сложности. Кремний из одной партии, помещенной в печь для обработки, может загрязнить ее и таким образом переместиться на детали из следующей партии.

Если в печи/камере имеются следы кремний-органических соединений, очистить ее крайне тяжело. Как правило, камеры или печи, единожды применявшиеся для обработки кремний-содержащих материалов, в дальнейшем используются только для работы с подобными материалами. Покрытия, не содержащие кремний-органические соединения, детали пресс-форм и другие изделия подвергаются сушке в других печах/камерах.

Ссылки:

  1. Venables, J.D., «Теория адгезионного связывания и ее прикладное применение», Журнал по адгезии (TheJournalofAdhesion), том 39, №2-3, 1992, стр. 86.
  2. LiedtkeV. и др., «Очистка кремний-содержащих загрязнений: разработка методики испытаний и оценка эффективности очистки», Отчет ESA,
  3.  Anderson, G.L. идр., «Воздействиекремний-содержащих загрязнений на силу сцепления различных материалов», Журнал по адгезии (TheJournalofAdhesion), том 86, 2010,стр. 1159-1177.