粗糙度对彩色涂层与基体间附着力的影响

王 雷,孙 杰,安成强

(沈阳理工大学环境与化学工程学院,辽宁沈阳 110168)

粗糙度对彩色涂层与基体间附着力的影响

王 雷,孙 杰,安成强

(沈阳理工大学环境与化学工程学院,辽宁沈阳 110168)

研究粗糙度对基体和涂层之间的附着力的影响,其一,是因为基体表面的凸凹不平导致漆膜在其上附着时产生互相咬合的现象,增大了附着力;另外,基体表面粗糙度越大其真实表面积越大,在基体表面发生腐蚀时腐蚀产物不易扩散,因此涂层附着力不易下降。

粗糙度;彩色涂层钢板;附着力

引 言

彩色涂层钢板(简称彩涂板),出现于1927年,它是以金属带钢为基体,表面预涂装各种颜色高分子涂料,所以又称为预涂层钢板[1]。彩涂板产品广泛应用在建筑、家电、汽车等领域。我国对彩涂板的研究和生产起步较晚,与世界水平相比,我国彩涂板在产品质量和新技术开发等方面仍存在较大差距。彩涂板的优良加工成型性能在很大程度上取决于涂层附着力(粘附力)的大小[2]。所以,研究彩涂板附着力的影响因素以提高涂层的附着力成为当前彩涂板技术研究的一个重点。本文详细研究了彩涂板基材的粗糙度对于涂层附着力的影响规律,对粗糙度影响涂层附着力的作用机理进行了探讨。

1 实验部分

1.1 涂层附着力性能测试

热镀锌钢板,经脱脂、表面调整、预处理、烘干后,辊涂环氧底漆和面漆。按照国家标准GB/T 13448-2006《彩色涂层钢板及钢带试验方法》[3]中弯曲实验法要求,做180°弯曲试验。

采用天津森日达QZ W型T弯实验机,把100mm×200mm的试片的短边一端插入弯曲试验机中约10mm,压紧试样,转动手柄将试样弯曲到锐角,然后取出试样,将试样的弯曲部分压紧,如图1 (a)所示即为“0T”弯曲。沿着弯曲部分贴上透明胶带,将胶带粘贴平整,然后沿弯曲面向60°方向迅速用力撕下胶带,检查胶带上是否有脱落的涂层。试样绕“0T”弯曲部分继续作180°弯曲,折迭中央有一个试样厚度,如图1(b)所示则为“1T”弯曲。同样用胶带检查涂层是否有脱落。重复此步骤,进行2T,3T……弯曲,直到涂层未出现脱落为止,记下此时的T弯值,以此来表示涂层与基体的附着力大小,T弯值越小表明附着力越好。

图1 T型弯曲法测试附着力示意

1.2 湿热加速试验

按照国家标准GB/T 13448-2006《彩色涂层钢板及钢带试验方法》中冷凝湿热法要求,在型号为FUS-250(无锡苏南实验设备有限公司生产)的湿热试验箱内,保持θ=(44±2)℃,RH大于98%,进行连续湿热试验。试验进行过程中7 d为一个周期进行附着力测试,连续进行21 d。利用湿热的苛刻条件加速彩涂板涂层与基体之间的附着力下降过程,以此来研究在不同粗糙度条件下涂层附着力随湿热加速时间的变化规律。

1.3 粗糙度的测量

采用Olympus生产的激光共聚焦显微粗糙度仪LEXT3100测定基体粗糙度。实验测定了四种彩涂板基体经过同一种预处理工艺后的粗糙度。测试时首先选取待测量试样的表面区域,分别测试五条l为2.56mm的直线粗糙度并取其平均值。

2 结果与讨论

2.1 基体粗糙度对彩涂板的附着力影响

四种热镀锌钢板使用同一种预处理液处理后测量其表面粗糙度Ra的数据结果如表1所示,可以看到,预处理后的基体粗糙度从1#片到4#片依次递减,1#片粗糙度最大,4#片粗糙度最小。

表1 四种不同基体粗糙度测定结果

试验中涂装的底漆和面漆均为环氧型涂料。表2为四种试样在加速条件下附着力的测试结果。从表2中的数据看到,在进行湿热试验之前四种试片的T弯值均为3T,经湿热加速21 d后1#和2#试片的T弯值没有变化。而3#和4#试片在湿热加速21 d时T弯值上升到4T。结合粗糙度的测试结果,说明在湿热加速实验的过程中,基体粗糙度较大的1#和2#试片在经过21 d加速后附着力发生没有变化,基体粗糙度较小的3#和4#试片在经过21 d加速后附着力降低了。

表2 湿热加速条件下附着力测试结果

2.2 粗糙度对涂层附着力影响机理

粗糙度增大对涂层附着力的影响可以分为两个主要方面来讨论。首先,传统的理论认为在涂装过程中有机漆膜渗入粗糙表面的缝隙间形成机械互锁(或称锚固作用)[3,4]。显然粗糙度大的表面缝隙较多且较深,形成的机械互锁作用就强,因此应具有较高的附着力。其次,粗糙度增大会导致基体的表面积相应增大。基体的表面积增大,意味着漆膜和基体之间有更大的接触面积,提高了漆膜和基体之间的界面吸附力和化学键作用力。另一方面从附着力测试结果来看,在未经湿热加速前不同粗糙度试片附着力相差并不明显(T弯值相同),但经过21 d湿热加速后两种粗糙度较小的试片漆膜的附着力下降,说明湿热加速过程中温度、湿度和空气中的各种介质降低了基体和漆膜的附着力。事实上,有关研究表明,水和氧气是影响漆膜附着力的重要因素。胡建平等[5]运用EIS技术研究水在漆膜中的传输行为时发现,浸泡中期,由于涂层中的许多填充物在溶液渗透过程中逐渐溶出,在涂层中形成导电通路,此时涂层对外部介质渗透的保护作用大为减小。当环境中的水、氧气等介质进入涂层中时,接触到基体表面预处理层,与基体发生腐蚀反应,在阴极区的高pH和在阳极区的低pH都将对高聚物涂层造成损害。接近漆膜孔隙的孔底的低pH会损坏孔周边的高聚物,并导致孔径的增大。由阴极反应发生的高pH也将同样破坏紧靠阳极腐蚀区周围的高聚物与金属之间的结合键,其原因是OH-对金属基体有很高的亲合势,表现出OH-具有在金属上“爬行”的能力[2]。如图2所示,随着高聚物和金属基体之间的结合键的破坏,腐蚀产物填充在高聚物和金属基体之间,随着时间延长基体腐蚀面积逐渐扩大,导致漆膜附着力降低。由于基体粗糙度不同,腐蚀产物在金属表面“爬行”相同路程所移动的相对位移不同,在粗糙度大的基体上,由于表面积较大其相对位移就小于粗糙度小的基体,所以在粗糙度大的试片上腐蚀半径小于粗糙度小的试片,其外在表现为经过相同的湿热加速时间,1#和2#粗糙度大的试片附着力高于相对粗糙度较小的3#和4#试片。

图2 湿热加速腐蚀下有机涂层下基体腐蚀示意图

3 结 论

1)基体表面的凸凹不平导致漆膜在其上附着时产生互相咬合的现象,粗糙度越大咬合力越强,附着力越大。

2)基体表面粗糙度越大,其真实表面积越大,漆膜和基体的吸附力越强。

3)粗糙度较大的基体发生腐蚀时产生的腐蚀产物不易扩散,从而减小了因为生成的腐蚀产物对附着力降低的影响。

[1] 王美珣,施国兰.彩涂板发展现状及前景分析[J].安徽冶金,2005,3:35-37.

[2] 刘振作.彩涂钢板试验技术及其应用[J].试验技术与试验机,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.飞机铝合金锌黄环氧酯底漆的电化学阻抗研究[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,黑龙江伊春人,沈阳理工大学环境与化学工程学院讲师,硕士.