氟碳面漆抗老化性能研究

李增權(quán)，李紅艷

（河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院機(jī)電系，河南平頂山，467000）

涂裝產(chǎn)品應(yīng)用較多的面漆為丙烯酸聚氨酯類涂料與氟碳涂料，在沿海、海島、化工園區(qū)與高海拔地區(qū)，一般需要適應(yīng)其復(fù)雜多樣的溫度、濕度、輻射等氣候條件。在熱帶亞熱帶沿海濕熱地區(qū)，涂裝產(chǎn)品表面由于氯鹽沉積，紫外線照射，使得產(chǎn)品在運(yùn)行幾年后會(huì)出現(xiàn)比同期在其它區(qū)域使用的涂裝產(chǎn)品更為嚴(yán)重的漆膜失光和粉化現(xiàn)象。同樣，在高海拔地區(qū)同樣會(huì)因?yàn)楦咴貐^(qū)紫外線照射強(qiáng)烈造成漆膜出現(xiàn)嚴(yán)重的失光、變色與粉化，因此需比較兩種涂料的耐候性以供生產(chǎn)選用。氟碳面漆中含有大量的F-C鍵，其鍵能較大，非常穩(wěn)定，在使用過程中不易因?yàn)榉纸舛刍噬?，服役壽命較長［1-4］，技術(shù)人員對于氟碳面漆從多個(gè)方面進(jìn)行了研究［5-7］，是比較理想的抗老化漆層［8］。但是基于具體的試驗(yàn)條件，詳細(xì)的性能比較在報(bào)道中還不多見，在具體的腐蝕環(huán)境中涂裝體系設(shè)計(jì)可以借鑒的數(shù)據(jù)往往來自不同的文獻(xiàn)，數(shù)據(jù)存在一定偏差，因此本文針對聚氨酯面漆與氟碳面漆的耐候性進(jìn)行人工氣候加速老化對比試驗(yàn)，為生產(chǎn)提供借鑒。

2 試驗(yàn)

試驗(yàn)試片共10件，擬采用“環(huán)氧底漆+氟碳面漆”涂裝體系的5件。擬采用“環(huán)氧底漆+丙烯酸聚氨酯面漆”涂裝體系的5件。試片進(jìn)行噴砂處理，目的為了粗化其表面，為漆膜與基體結(jié)合提供更多的質(zhì)點(diǎn)，提高漆膜與基體的結(jié)合力。

2.1 基材選擇

試驗(yàn)基材為40Cr，試片規(guī)格：100 mm×70 mm×5 mm，原始粗糙度設(shè)計(jì)為1.6 μm。

2.2 施工工藝

噴砂工藝：噴嘴口徑0.6 mm，壓力0.5 MPa，零部件表面與噴口距離為600 mm，槍速為0.55 m/s，石英砂，粒徑為80目。

涂裝工藝：底漆2遍→24 h晾干→面漆2遍→24 h晾干。噴孔直徑為3 mm，空氣噴出壓力為0.4 MPa。底漆膜厚30～37 μm，總膜厚≥100 μm。

2.3 性能檢測

采用型號為Mitutoyo SJ210粗糙度測試儀檢測噴砂后粗糙度。選用DP-2100厚度測量儀測試底漆膜層厚度與膜層總厚度。選用DeFelskoAT-A拉拔儀測試膜層附著力。

選用JST-120鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱測試膜層耐蝕性，測試條件：5 wt%NaCl溶液，pH值6.5～7.2，溫度35±2℃，連續(xù)噴霧，觀察周期100 h，試驗(yàn)總時(shí)間為1400 h。

選用SN-900氙燈人工氣候老化試驗(yàn)箱進(jìn)行漆膜抗老化試驗(yàn)。具體操作如表1，分為連續(xù)光照模式與非連續(xù)光照模式。

表1 人工氣候老化試驗(yàn)操作程式Tab.1 Operation program for artificial climate aging test

3 結(jié)果與討論

3.1 粗糙度、涂層厚度與附著力

采用“環(huán)氧底漆+氟碳面漆”涂裝體系的5件試樣，噴砂后粗糙度為10.0～10.4 μm，均值為10.18 μm。涂層厚度為100～106 μm，均值為102.8 μm。附著力為9.9～11.7 MPa，均值為10.56 MPa。

采用“環(huán)氧底漆+丙烯酸聚氨酯面漆”涂裝體系的5件試樣，噴砂后粗糙度為9.7～10.2 μm，均值為10.0 μm。涂層厚度100～105 μm，均值為102.2 μm。附著力為10.4～11.0 MPa，均值為10.66 MPa。

試樣的獲得的粗糙度、漆膜總厚度與附著力均相差不大，且波動(dòng)不大，對于比較不同涂裝體系之間涂層的耐腐蝕性能與抗老化性能更具說服力。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2與圖1中所示，分別列舉出來二者的測試數(shù)據(jù)、均質(zhì)與誤差值。

圖1 粗糙度、涂層厚度與附著力Fig.1 The roughness，thickness and binding force of the coatings

表2 粗糙度、涂層厚度與附著力結(jié)果Tab.2 The roughness，thickness and binding force of the coatings

3.2 腐蝕性能測試

中性鹽霧試驗(yàn)結(jié)果如表3、圖2與圖3所示，兩種涂裝體系涂層的耐腐蝕性相差不多，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行漆膜均出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。具體來講，環(huán)氧底漆+氟碳面漆體系試驗(yàn)進(jìn)行至1100 h，涂層未起泡、未剝落、未生銹、未開裂，漆膜褪色。至1200 h，5件樣品中2件出現(xiàn)氣泡，3件狀況良好，漆膜褪色加重。至1300 h，5件均見氣泡，氣泡變大，且氣泡密度變大，漆膜褪色比較嚴(yán)重。環(huán)氧底漆+丙烯酸聚氨酯面漆體系試驗(yàn)進(jìn)行至1100 h，涂層未起泡、未剝落、未生銹、未開裂，漆膜褪色。至1200 h，3件出現(xiàn)氣泡，2件狀況良好，漆膜褪色加重。至1300 h，5件均見氣泡，氣泡變大，且氣泡密度變大，漆膜褪色比較嚴(yán)重。

圖2 環(huán)氧底漆+氟碳面漆體系涂層中性鹽霧試驗(yàn)形貌Fig.2 Morphologies for the corrosion resistance of epoxy primer plus fluorocarbon finish after neutral salt spray testing

圖3 環(huán)氧底漆+丙烯酸聚氨酯面漆體系涂層中性鹽霧試驗(yàn)形貌Fig.3 Morphologies for the corrosion resistance of epoxy primer plus acrylic polyurethane finish after neutral salt spray testing

表3 中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.3 Statistical results of neutral salt spray corrosion test

盡管兩種涂裝體系獲的涂層在中性鹽霧試驗(yàn)過程中樣品腐蝕狀況存在差別，但這種差別較小，可視為相同的耐腐蝕等級。另外需說明的是，環(huán)氧底漆+氟碳面漆體系與環(huán)氧底漆+丙烯酸聚氨酯面漆體系比較，漆膜并沒有表現(xiàn)出更加優(yōu)秀的耐蝕性能，這與試驗(yàn)條件有直接關(guān)系，氟碳面漆含有大量的FC鍵，其鍵能較大且比較穩(wěn)定，具有更優(yōu)的抗紫外線性能，在高原、低緯度地區(qū)具有更優(yōu)的耐腐蝕性能，而中性鹽霧試驗(yàn)氣氛僅僅是含Cl-的腐蝕環(huán)境，不能有效破壞F-C鍵，對漆膜的影響有限。

3.3 老化試驗(yàn)

3.3.1 非連續(xù)光照

按照GB／T1766《色漆和清漆涂層老化的評級方法》對老化試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評級。觀測周期隨試驗(yàn)時(shí)間增加逐漸縮短。結(jié)果統(tǒng)計(jì)如4，試驗(yàn)開始的第一個(gè)月內(nèi)，即約700 h后，氟碳涂層與丙烯酸聚氨酯類涂層均表現(xiàn)出一定的耐候性，無明顯老化特征。在第二個(gè)月內(nèi)，二者出現(xiàn)一定的差別，丙烯酸聚氨酯涂層開始出現(xiàn)輕度的老化現(xiàn)象，約960 h后，涂層開始出現(xiàn)明顯的老化現(xiàn)象，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，涂層老化現(xiàn)象明顯。而氟碳面漆在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，經(jīng)歷1464 h的老化試驗(yàn)，涂層逐漸出現(xiàn)失光與變色。

試驗(yàn)過程記錄試片形貌如圖4，經(jīng)過1464 h老化試驗(yàn)，氟碳面漆涂層老化程度比較輕微，而丙烯酸聚氨酯面漆涂層則出現(xiàn)明顯的老化現(xiàn)象。

圖4 非連續(xù)光照試片1464 h后形貌Fig.4 Morphologies of fluorocarbon finish and acrylic polyurethane finish for 1464 h after discontinuous illumination

表4 非連續(xù)光照抗老化性能統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistics on anti aging performance of discontinuous light

3.3.2 連續(xù)光照

連續(xù)光照加速老化試驗(yàn)觀測周期為96 h，結(jié)果如表5。試驗(yàn)進(jìn)行至96 h，氟碳面漆開始出現(xiàn)失光與變色現(xiàn)象，而丙烯酸聚氨酯涂層失光與變色已經(jīng)比較明顯，并且開始出現(xiàn)粉化現(xiàn)象，銹斑較明顯。隨著試驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行，氟碳面漆與丙烯酸聚氨酯涂層二者比較體現(xiàn)出更加優(yōu)異的抗老化性能，即經(jīng)過1152 h的連續(xù)老化試驗(yàn)，氟碳面漆失光明顯、變色輕微，粉化比較輕微，而丙烯酸聚氨酯面漆涂層失光嚴(yán)重、變色明顯，并已有明顯的粉化現(xiàn)象。

表5 連續(xù)光照抗老化性能統(tǒng)計(jì)Tab.5 Statistics on anti-aging performance of continuous light

連續(xù)光照長時(shí)間老化試驗(yàn)，無論是氟碳面漆還是丙烯酸聚氨酯面漆的抗老化性能均有限，但是氟碳面漆明顯優(yōu)于丙烯酸聚氨酯涂層，試驗(yàn)結(jié)果與非連續(xù)光照結(jié)果一致。

試驗(yàn)過程記錄試片形貌如圖5，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)氟碳涂料涂層，表面有輕微的銹跡，無明顯銹斑出現(xiàn)，分散有極少數(shù)黑斑。而丙烯酸聚氨酯涂層，整體出現(xiàn)明顯銹斑且在其邊緣有密集型腐蝕黑斑，局部有起泡現(xiàn)象，部分面漆脫落。

圖5 連續(xù)光照試片1152 h后形貌Fig.5 Morphologies of fluorocarbon finish and acrylic polyurethane finish for 1152 h after continuous illumination

氟碳面漆涂層表現(xiàn)出優(yōu)良的耐候性與其化學(xué)鍵有著關(guān)系密切，其主鏈?zhǔn)歉吣艿腃-F鍵，由于原子F半徑極小，電負(fù)性較強(qiáng)，其鍵能高達(dá)485 kJ/mol，太陽光紫外光區(qū)中只有很少部分能離解C-F鍵，而這部分短波紫外光經(jīng)過大氣層后只有很少一部分能到達(dá)地球表面，因此氟碳面漆作為面漆具有良好的抗紫外線能力。比較之下常用丙烯酸聚氨酯面漆不具備此類主鏈結(jié)構(gòu)，如果不進(jìn)行特殊改性，其抗紫外線老化性能是有限的。因此，在紫外線比較強(qiáng)烈的區(qū)域，建議使用氟碳面漆作為保護(hù)層。

4 結(jié)論

本文選擇相同的材質(zhì)，進(jìn)行同樣的前處理，獲得粗糙度相差不大的試片表面，選擇“環(huán)氧底漆+氟碳面漆”與“環(huán)氧底漆+丙烯酸聚氨酯面漆”進(jìn)行涂裝并進(jìn)行耐腐蝕與老化試驗(yàn)測試，結(jié)論如下：

（1）中性鹽霧試驗(yàn)表明，兩種涂裝體系獲得的漆膜耐腐蝕性差別不大，采用“環(huán)氧底漆+氟碳面漆”體系略優(yōu)于“環(huán)氧底漆+丙烯酸聚氨酯面漆”體系。

（2）人工氣候老化試驗(yàn)表明，無論是連續(xù)輻照方式還是非連續(xù)輻照方式，氟碳涂料涂層明顯優(yōu)于丙烯酸聚氨酯涂層。人工氣候老化試驗(yàn)，經(jīng)過非連續(xù)光照1464 h后氟碳涂層才逐漸出現(xiàn)失光與變色，經(jīng)過連續(xù)光照1152 h后，氟碳涂層表面有輕微的銹跡，但無明顯的銹斑出現(xiàn)，分散有極少數(shù)黑斑。在沿海、海島、化工園區(qū)與高海拔地區(qū)紫外線比較強(qiáng)烈的區(qū)域適合使用。