粗糙度對彩色涂層與基體間附著力的影響

王 雷,孫 杰,安成強

(沈陽理工大學環境與化學工程學院,遼寧沈陽 110168)

粗糙度對彩色涂層與基體間附著力的影響

王 雷,孫 杰,安成強

(沈陽理工大學環境與化學工程學院,遼寧沈陽 110168)

研究粗糙度對基體和涂層之間的附著力的影響,其一,是因為基體表面的凸凹不平導致漆膜在其上附著時產生互相咬合的現象,增大了附著力;另外,基體表面粗糙度越大其真實表面積越大,在基體表面發生腐蝕時腐蝕產物不易擴散,因此涂層附著力不易下降。

粗糙度;彩色涂層鋼板;附著力

引 言

彩色涂層鋼板(簡稱彩涂板),出現于1927年,它是以金屬帶鋼為基體,表面預涂裝各種顏色高分子涂料,所以又稱為預涂層鋼板[1]。彩涂板產品廣泛應用在建筑、家電、汽車等領域。我國對彩涂板的研究和生產起步較晚,與世界水平相比,我國彩涂板在產品質量和新技術開發等方面仍存在較大差距。彩涂板的優良加工成型性能在很大程度上取決于涂層附著力(粘附力)的大小[2]。所以,研究彩涂板附著力的影響因素以提高涂層的附著力成為當前彩涂板技術研究的一個重點。本文詳細研究了彩涂板基材的粗糙度對于涂層附著力的影響規律,對粗糙度影響涂層附著力的作用機理進行了探討。

1 實驗部分

1.1 涂層附著力性能測試

熱鍍鋅鋼板,經脫脂、表面調整、預處理、烘干后,輥涂環氧底漆和面漆。按照國家標準GB/T 13448-2006《彩色涂層鋼板及鋼帶試驗方法》[3]中彎曲實驗法要求,做180°彎曲試驗。

采用天津森日達QZ W型T彎實驗機,把100mm×200mm的試片的短邊一端插入彎曲試驗機中約10mm,壓緊試樣,轉動手柄將試樣彎曲到銳角,然后取出試樣,將試樣的彎曲部分壓緊,如圖1 (a)所示即為“0T”彎曲。沿著彎曲部分貼上透明膠帶,將膠帶粘貼平整,然后沿彎曲面向60°方向迅速用力撕下膠帶,檢查膠帶上是否有脫落的涂層。試樣繞“0T”彎曲部分繼續作180°彎曲,折迭中央有一個試樣厚度,如圖1(b)所示則為“1T”彎曲。同樣用膠帶檢查涂層是否有脫落。重復此步驟,進行2T,3T……彎曲,直到涂層未出現脫落為止,記下此時的T彎值,以此來表示涂層與基體的附著力大小,T彎值越小表明附著力越好。

圖1 T型彎曲法測試附著力示意

1.2 濕熱加速試驗

按照國家標準GB/T 13448-2006《彩色涂層鋼板及鋼帶試驗方法》中冷凝濕熱法要求,在型號為FUS-250(無錫蘇南實驗設備有限公司生產)的濕熱試驗箱內,保持θ=(44±2)℃,RH大于98%,進行連續濕熱試驗。試驗進行過程中7 d為一個周期進行附著力測試,連續進行21 d。利用濕熱的苛刻條件加速彩涂板涂層與基體之間的附著力下降過程,以此來研究在不同粗糙度條件下涂層附著力隨濕熱加速時間的變化規律。

1.3 粗糙度的測量

采用Olympus生產的激光共聚焦顯微粗糙度儀LEXT3100測定基體粗糙度。實驗測定了四種彩涂板基體經過同一種預處理工藝后的粗糙度。測試時首先選取待測量試樣的表面區域,分別測試五條l為2.56mm的直線粗糙度并取其平均值。

2 結果與討論

2.1 基體粗糙度對彩涂板的附著力影響

四種熱鍍鋅鋼板使用同一種預處理液處理后測量其表面粗糙度Ra的數據結果如表1所示,可以看到,預處理后的基體粗糙度從1#片到4#片依次遞減,1#片粗糙度最大,4#片粗糙度最小。

表1 四種不同基體粗糙度測定結果

試驗中涂裝的底漆和面漆均為環氧型涂料。表2為四種試樣在加速條件下附著力的測試結果。從表2中的數據看到,在進行濕熱試驗之前四種試片的T彎值均為3T,經濕熱加速21 d后1#和2#試片的T彎值沒有變化。而3#和4#試片在濕熱加速21 d時T彎值上升到4T。結合粗糙度的測試結果,說明在濕熱加速實驗的過程中,基體粗糙度較大的1#和2#試片在經過21 d加速后附著力發生沒有變化,基體粗糙度較小的3#和4#試片在經過21 d加速后附著力降低了。

表2 濕熱加速條件下附著力測試結果

2.2 粗糙度對涂層附著力影響機理

粗糙度增大對涂層附著力的影響可以分為兩個主要方面來討論。首先,傳統的理論認為在涂裝過程中有機漆膜滲入粗糙表面的縫隙間形成機械互鎖(或稱錨固作用)[3,4]。顯然粗糙度大的表面縫隙較多且較深,形成的機械互鎖作用就強,因此應具有較高的附著力。其次,粗糙度增大會導致基體的表面積相應增大。基體的表面積增大,意味著漆膜和基體之間有更大的接觸面積,提高了漆膜和基體之間的界面吸附力和化學鍵作用力。另一方面從附著力測試結果來看,在未經濕熱加速前不同粗糙度試片附著力相差并不明顯(T彎值相同),但經過21 d濕熱加速后兩種粗糙度較小的試片漆膜的附著力下降,說明濕熱加速過程中溫度、濕度和空氣中的各種介質降低了基體和漆膜的附著力。事實上,有關研究表明,水和氧氣是影響漆膜附著力的重要因素。胡建平等[5]運用EIS技術研究水在漆膜中的傳輸行為時發現,浸泡中期,由于涂層中的許多填充物在溶液滲透過程中逐漸溶出,在涂層中形成導電通路,此時涂層對外部介質滲透的保護作用大為減小。當環境中的水、氧氣等介質進入涂層中時,接觸到基體表面預處理層,與基體發生腐蝕反應,在陰極區的高pH和在陽極區的低pH都將對高聚物涂層造成損害。接近漆膜孔隙的孔底的低pH會損壞孔周邊的高聚物,并導致孔徑的增大。由陰極反應發生的高pH也將同樣破壞緊靠陽極腐蝕區周圍的高聚物與金屬之間的結合鍵,其原因是OH-對金屬基體有很高的親合勢,表現出OH-具有在金屬上“爬行”的能力[2]。如圖2所示,隨著高聚物和金屬基體之間的結合鍵的破壞,腐蝕產物填充在高聚物和金屬基體之間,隨著時間延長基體腐蝕面積逐漸擴大,導致漆膜附著力降低。由于基體粗糙度不同,腐蝕產物在金屬表面“爬行”相同路程所移動的相對位移不同,在粗糙度大的基體上,由于表面積較大其相對位移就小于粗糙度小的基體,所以在粗糙度大的試片上腐蝕半徑小于粗糙度小的試片,其外在表現為經過相同的濕熱加速時間,1#和2#粗糙度大的試片附著力高于相對粗糙度較小的3#和4#試片。

圖2 濕熱加速腐蝕下有機涂層下基體腐蝕示意圖

3 結 論

1)基體表面的凸凹不平導致漆膜在其上附著時產生互相咬合的現象,粗糙度越大咬合力越強,附著力越大。

2)基體表面粗糙度越大,其真實表面積越大,漆膜和基體的吸附力越強。

3)粗糙度較大的基體發生腐蝕時產生的腐蝕產物不易擴散,從而減小了因為生成的腐蝕產物對附著力降低的影響。

[1] 王美珣,施國蘭.彩涂板發展現狀及前景分析[J].安徽冶金,2005,3:35-37.

[2] 劉振作.彩涂鋼板試驗技術及其應用[J].試驗技術與試驗機,2004,43(03):3-7.

[3] Lee Ho Young,et al,adhesion strength and failure path [J].J Adhes Sci Techn,2003,17(2):195-201.

[4] Ho-Young Lee,et al.Fracture behaviors of nanowire-coated metal/polymer systems under mode-I loading condition[J].ActaMaterialia,2004(52),5815-5828.

[5] 胡建平.飛機鋁合金鋅黃環氧酯底漆的電化學阻抗研究[J].材料工程,2006,2:18-24.

Influence of surface roughness on the adhesive force between colored coating and substrate

WANG Lei,SUN Jie,AN Cheng-qing
(School of Environmental and Chemical Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110168,China)

The influence mechanism of the roughnesson adhesion bet ween substrate and coatingwas studied.Firstly,painted film will occlusally contact the rough and uneven surface of the substrate,resulting in the increased adhesion;secondly,the real surface area will increase while the roughness increases,and the corroded product cannot diffuse easilywhen the corrosion occurs,and therefore the adhesion will not decrease easily.

roughness;color coating steel sheet;adhesion

TG174.4

:A

1001-3849(2010)05-0041-03

2009-11-02

:2009-12-23

王雷(1975-),男,黑龍江伊春人,沈陽理工大學環境與化學工程學院講師,碩士.