粗糙度對(duì)彩色涂層與基體間附著力的影響

王 雷,孫 杰,安成強(qiáng)

(沈陽(yáng)理工大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,遼寧沈陽(yáng) 110168)

粗糙度對(duì)彩色涂層與基體間附著力的影響

王 雷,孫 杰,安成強(qiáng)

(沈陽(yáng)理工大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,遼寧沈陽(yáng) 110168)

研究粗糙度對(duì)基體和涂層之間的附著力的影響,其一,是因?yàn)榛w表面的凸凹不平導(dǎo)致漆膜在其上附著時(shí)產(chǎn)生互相咬合的現(xiàn)象,增大了附著力;另外,基體表面粗糙度越大其真實(shí)表面積越大,在基體表面發(fā)生腐蝕時(shí)腐蝕產(chǎn)物不易擴(kuò)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(jiǎn)稱彩涂板),出現(xiàn)于1927年,它是以金屬帶鋼為基體,表面預(yù)涂裝各種顏色高分子涂料,所以又稱為預(yù)涂層鋼板[1]。彩涂板產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在建筑、家電、汽車等領(lǐng)域。我國(guó)對(duì)彩涂板的研究和生產(chǎn)起步較晚,與世界水平相比,我國(guó)彩涂板在產(chǎn)品質(zhì)量和新技術(shù)開(kāi)發(fā)等方面仍存在較大差距。彩涂板的優(yōu)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(dāng)前彩涂板技術(shù)研究的一個(gè)重點(diǎn)。本文詳細(xì)研究了彩涂板基材的粗糙度對(duì)于涂層附著力的影響規(guī)律,對(duì)粗糙度影響涂層附著力的作用機(jī)理進(jìn)行了探討。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 涂層附著力性能測(cè)試

熱鍍鋅鋼板,經(jīng)脫脂、表面調(diào)整、預(yù)處理、烘干后,輥涂環(huán)氧底漆和面漆。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13448-2006《彩色涂層鋼板及鋼帶試驗(yàn)方法》[3]中彎曲實(shí)驗(yàn)法要求,做180°彎曲試驗(yàn)。

采用天津森日達(dá)QZ W型T彎實(shí)驗(yàn)機(jī),把100mm×200mm的試片的短邊一端插入彎曲試驗(yàn)機(jī)中約10mm,壓緊試樣,轉(zhuǎn)動(dòng)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(xù)作180°彎曲,折迭中央有一個(gè)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(fù)此步驟,進(jìn)行2T,3T……彎曲,直到涂層未出現(xiàn)脫落為止,記下此時(shí)的T彎值,以此來(lái)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(cè)試附著力示意

1.2 濕熱加速試驗(yàn)

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13448-2006《彩色涂層鋼板及鋼帶試驗(yàn)方法》中冷凝濕熱法要求,在型號(hào)為FUS-250(無(wú)錫蘇南實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn))的濕熱試驗(yàn)箱內(nèi),保持θ=(44±2)℃,RH大于98%,進(jìn)行連續(xù)濕熱試驗(yàn)。試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中7 d為一個(gè)周期進(jìn)行附著力測(cè)試,連續(xù)進(jìn)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(guò)程,以此來(lái)研究在不同粗糙度條件下涂層附著力隨濕熱加速時(shí)間的變化規(guī)律。

1.3 粗糙度的測(cè)量

采用Olympus生產(chǎn)的激光共聚焦顯微粗糙度儀LEXT3100測(cè)定基體粗糙度。實(shí)驗(yàn)測(cè)定了四種彩涂板基體經(jīng)過(guò)同一種預(yù)處理工藝后的粗糙度。測(cè)試時(shí)首先選取待測(cè)量試樣的表面區(qū)域,分別測(cè)試五條l為2.56mm的直線粗糙度并取其平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 基體粗糙度對(duì)彩涂板的附著力影響

四種熱鍍鋅鋼板使用同一種預(yù)處理液處理后測(cè)量其表面粗糙度Ra的數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示,可以看到,預(yù)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(cè)定結(jié)果

試驗(yàn)中涂裝的底漆和面漆均為環(huán)氧型涂料。表2為四種試樣在加速條件下附著力的測(cè)試結(jié)果。從表2中的數(shù)據(jù)看到,在進(jìn)行濕熱試驗(yàn)之前四種試片的T彎值均為3T,經(jīng)濕熱加速21 d后1#和2#試片的T彎值沒(méi)有變化。而3#和4#試片在濕熱加速21 d時(shí)T彎值上升到4T。結(jié)合粗糙度的測(cè)試結(jié)果,說(shuō)明在濕熱加速實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中,基體粗糙度較大的1#和2#試片在經(jīng)過(guò)21 d加速后附著力發(fā)生沒(méi)有變化,基體粗糙度較小的3#和4#試片在經(jīng)過(guò)21 d加速后附著力降低了。

表2 濕熱加速條件下附著力測(cè)試結(jié)果

2.2 粗糙度對(duì)涂層附著力影響機(jī)理

粗糙度增大對(duì)涂層附著力的影響可以分為兩個(gè)主要方面來(lái)討論。首先,傳統(tǒng)的理論認(rèn)為在涂裝過(guò)程中有機(jī)漆膜滲入粗糙表面的縫隙間形成機(jī)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(jī)械互鎖作用就強(qiáng),因此應(yīng)具有較高的附著力。其次,粗糙度增大會(huì)導(dǎo)致基體的表面積相應(yīng)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(xué)鍵作用力。另一方面從附著力測(cè)試結(jié)果來(lái)看,在未經(jīng)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(jīng)過(guò)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(shuō)明濕熱加速過(guò)程中溫度、濕度和空氣中的各種介質(zhì)降低了基體和漆膜的附著力。事實(shí)上,有關(guān)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(yùn)用EIS技術(shù)研究水在漆膜中的傳輸行為時(shí)發(fā)現(xiàn),浸泡中期,由于涂層中的許多填充物在溶液滲透過(guò)程中逐漸溶出,在涂層中形成導(dǎo)電通路,此時(shí)涂層對(duì)外部介質(zhì)滲透的保護(hù)作用大為減小。當(dāng)環(huán)境中的水、氧氣等介質(zhì)進(jìn)入涂層中時(shí),接觸到基體表面預(yù)處理層,與基體發(fā)生腐蝕反應(yīng),在陰極區(qū)的高pH和在陽(yáng)極區(qū)的低pH都將對(duì)高聚物涂層造成損害。接近漆膜孔隙的孔底的低pH會(huì)損壞孔周邊的高聚物,并導(dǎo)致孔徑的增大。由陰極反應(yīng)發(fā)生的高pH也將同樣破壞緊靠陽(yáng)極腐蝕區(qū)周圍的高聚物與金屬之間的結(jié)合鍵,其原因是OH-對(duì)金屬基體有很高的親合勢(shì),表現(xiàn)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(jié)合鍵的破壞,腐蝕產(chǎn)物填充在高聚物和金屬基體之間,隨著時(shí)間延長(zhǎng)基體腐蝕面積逐漸擴(kuò)大,導(dǎo)致漆膜附著力降低。由于基體粗糙度不同,腐蝕產(chǎn)物在金屬表面“爬行”相同路程所移動(dòng)的相對(duì)位移不同,在粗糙度大的基體上,由于表面積較大其相對(duì)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(xiàn)為經(jīng)過(guò)相同的濕熱加速時(shí)間,1#和2#粗糙度大的試片附著力高于相對(duì)粗糙度較小的3#和4#試片。

圖2 濕熱加速腐蝕下有機(jī)涂層下基體腐蝕示意圖

3 結(jié) 論

1)基體表面的凸凹不平導(dǎo)致漆膜在其上附著時(shí)產(chǎn)生互相咬合的現(xiàn)象,粗糙度越大咬合力越強(qiáng),附著力越大。

2)基體表面粗糙度越大,其真實(shí)表面積越大,漆膜和基體的吸附力越強(qiáng)。

3)粗糙度較大的基體發(fā)生腐蝕時(shí)產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物不易擴(kuò)散,從而減小了因?yàn)樯傻母g產(chǎn)物對(duì)附著力降低的影響。

[1] 王美珣,施國(guó)蘭.彩涂板發(fā)展現(xiàn)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(yàn)技術(shù)及其應(yīng)用[J].試驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)機(jī),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(jī)鋁合金鋅黃環(huán)氧酯底漆的電化學(xué)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(yáng)理工大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院講師,碩士.