氟碳面漆抗老化性能研究

李增权，李红艳

（河南质量工程职业学院机电系，河南平顶山，467000）

涂装产品应用较多的面漆为丙烯酸聚氨酯类涂料与氟碳涂料，在沿海、海岛、化工园区与高海拔地区，一般需要适应其复杂多样的温度、湿度、辐射等气候条件。在热带亚热带沿海湿热地区，涂装产品表面由于氯盐沉积，紫外线照射，使得产品在运行几年后会出现比同期在其它区域使用的涂装产品更为严重的漆膜失光和粉化现象。同样，在高海拔地区同样会因为高原地区紫外线照射强烈造成漆膜出现严重的失光、变色与粉化，因此需比较两种涂料的耐候性以供生产选用。氟碳面漆中含有大量的F-C键，其键能较大，非常稳定，在使用过程中不易因为分解而粉化褪色，服役寿命较长［1-4］，技术人员对于氟碳面漆从多个方面进行了研究［5-7］，是比较理想的抗老化漆层［8］。但是基于具体的试验条件，详细的性能比较在报道中还不多见，在具体的腐蚀环境中涂装体系设计可以借鉴的数据往往来自不同的文献，数据存在一定偏差，因此本文针对聚氨酯面漆与氟碳面漆的耐候性进行人工气候加速老化对比试验，为生产提供借鉴。

2 试验

试验试片共10件，拟采用“环氧底漆+氟碳面漆”涂装体系的5件。拟采用“环氧底漆+丙烯酸聚氨酯面漆”涂装体系的5件。试片进行喷砂处理，目的为了粗化其表面，为漆膜与基体结合提供更多的质点，提高漆膜与基体的结合力。

2.1 基材选择

试验基材为40Cr，试片规格：100 mm×70 mm×5 mm，原始粗糙度设计为1.6 μm。

2.2 施工工艺

喷砂工艺：喷嘴口径0.6 mm，压力0.5 MPa，零部件表面与喷口距离为600 mm，枪速为0.55 m/s，石英砂，粒径为80目。

涂装工艺：底漆2遍→24 h晾干→面漆2遍→24 h晾干。喷孔直径为3 mm，空气喷出压力为0.4 MPa。底漆膜厚30～37 μm，总膜厚≥100 μm。

2.3 性能检测

采用型号为Mitutoyo SJ210粗糙度测试仪检测喷砂后粗糙度。选用DP-2100厚度测量仪测试底漆膜层厚度与膜层总厚度。选用DeFelskoAT-A拉拔仪测试膜层附着力。

选用JST-120盐雾腐蚀试验箱测试膜层耐蚀性，测试条件：5 wt%NaCl溶液，pH值6.5～7.2，温度35±2℃，连续喷雾，观察周期100 h，试验总时间为1400 h。

选用SN-900氙灯人工气候老化试验箱进行漆膜抗老化试验。具体操作如表1，分为连续光照模式与非连续光照模式。

表1 人工气候老化试验操作程式Tab.1 Operation program for artificial climate aging test

3 结果与讨论

3.1 粗糙度、涂层厚度与附着力

采用“环氧底漆+氟碳面漆”涂装体系的5件试样，喷砂后粗糙度为10.0～10.4 μm，均值为10.18 μm。涂层厚度为100～106 μm，均值为102.8 μm。附着力为9.9～11.7 MPa，均值为10.56 MPa。

采用“环氧底漆+丙烯酸聚氨酯面漆”涂装体系的5件试样，喷砂后粗糙度为9.7～10.2 μm，均值为10.0 μm。涂层厚度100～105 μm，均值为102.2 μm。附着力为10.4～11.0 MPa，均值为10.66 MPa。

试样的获得的粗糙度、漆膜总厚度与附着力均相差不大，且波动不大，对于比较不同涂装体系之间涂层的耐腐蚀性能与抗老化性能更具说服力。统计结果如表2与图1中所示，分别列举出来二者的测试数据、均质与误差值。

图1 粗糙度、涂层厚度与附着力Fig.1 The roughness，thickness and binding force of the coatings

表2 粗糙度、涂层厚度与附着力结果Tab.2 The roughness，thickness and binding force of the coatings

3.2 腐蚀性能测试

中性盐雾试验结果如表3、图2与图3所示，两种涂装体系涂层的耐腐蚀性相差不多，随着试验的进行漆膜均出现破坏现象。具体来讲，环氧底漆+氟碳面漆体系试验进行至1100 h，涂层未起泡、未剥落、未生锈、未开裂，漆膜褪色。至1200 h，5件样品中2件出现气泡，3件状况良好，漆膜褪色加重。至1300 h，5件均见气泡，气泡变大，且气泡密度变大，漆膜褪色比较严重。环氧底漆+丙烯酸聚氨酯面漆体系试验进行至1100 h，涂层未起泡、未剥落、未生锈、未开裂，漆膜褪色。至1200 h，3件出现气泡，2件状况良好，漆膜褪色加重。至1300 h，5件均见气泡，气泡变大，且气泡密度变大，漆膜褪色比较严重。

图2 环氧底漆+氟碳面漆体系涂层中性盐雾试验形貌Fig.2 Morphologies for the corrosion resistance of epoxy primer plus fluorocarbon finish after neutral salt spray testing

图3 环氧底漆+丙烯酸聚氨酯面漆体系涂层中性盐雾试验形貌Fig.3 Morphologies for the corrosion resistance of epoxy primer plus acrylic polyurethane finish after neutral salt spray testing

表3 中性盐雾腐蚀试验统计结果Tab.3 Statistical results of neutral salt spray corrosion test

尽管两种涂装体系获的涂层在中性盐雾试验过程中样品腐蚀状况存在差别，但这种差别较小，可视为相同的耐腐蚀等级。另外需说明的是，环氧底漆+氟碳面漆体系与环氧底漆+丙烯酸聚氨酯面漆体系比较，漆膜并没有表现出更加优秀的耐蚀性能，这与试验条件有直接关系，氟碳面漆含有大量的FC键，其键能较大且比较稳定，具有更优的抗紫外线性能，在高原、低纬度地区具有更优的耐腐蚀性能，而中性盐雾试验气氛仅仅是含Cl-的腐蚀环境，不能有效破坏F-C键，对漆膜的影响有限。

3.3 老化试验

3.3.1 非连续光照

按照GB／T1766《色漆和清漆涂层老化的评级方法》对老化试验结果进行评级。观测周期随试验时间增加逐渐缩短。结果统计如4，试验开始的第一个月内，即约700 h后，氟碳涂层与丙烯酸聚氨酯类涂层均表现出一定的耐候性，无明显老化特征。在第二个月内，二者出现一定的差别，丙烯酸聚氨酯涂层开始出现轻度的老化现象，约960 h后，涂层开始出现明显的老化现象，在试验结束时，涂层老化现象明显。而氟碳面漆在试验结束时，经历1464 h的老化试验，涂层逐渐出现失光与变色。

试验过程记录试片形貌如图4，经过1464 h老化试验，氟碳面漆涂层老化程度比较轻微，而丙烯酸聚氨酯面漆涂层则出现明显的老化现象。

图4 非连续光照试片1464 h后形貌Fig.4 Morphologies of fluorocarbon finish and acrylic polyurethane finish for 1464 h after discontinuous illumination

表4 非连续光照抗老化性能统计Tab.4 Statistics on anti aging performance of discontinuous light

3.3.2 连续光照

连续光照加速老化试验观测周期为96 h，结果如表5。试验进行至96 h，氟碳面漆开始出现失光与变色现象，而丙烯酸聚氨酯涂层失光与变色已经比较明显，并且开始出现粉化现象，锈斑较明显。随着试验持续进行，氟碳面漆与丙烯酸聚氨酯涂层二者比较体现出更加优异的抗老化性能，即经过1152 h的连续老化试验，氟碳面漆失光明显、变色轻微，粉化比较轻微，而丙烯酸聚氨酯面漆涂层失光严重、变色明显，并已有明显的粉化现象。

表5 连续光照抗老化性能统计Tab.5 Statistics on anti-aging performance of continuous light

连续光照长时间老化试验，无论是氟碳面漆还是丙烯酸聚氨酯面漆的抗老化性能均有限，但是氟碳面漆明显优于丙烯酸聚氨酯涂层，试验结果与非连续光照结果一致。

试验过程记录试片形貌如图5，试验结束时氟碳涂料涂层，表面有轻微的锈迹，无明显锈斑出现，分散有极少数黑斑。而丙烯酸聚氨酯涂层，整体出现明显锈斑且在其边缘有密集型腐蚀黑斑，局部有起泡现象，部分面漆脱落。

图5 连续光照试片1152 h后形貌Fig.5 Morphologies of fluorocarbon finish and acrylic polyurethane finish for 1152 h after continuous illumination

氟碳面漆涂层表现出优良的耐候性与其化学键有着关系密切，其主链是高能的C-F键，由于原子F半径极小，电负性较强，其键能高达485 kJ/mol，太阳光紫外光区中只有很少部分能离解C-F键，而这部分短波紫外光经过大气层后只有很少一部分能到达地球表面，因此氟碳面漆作为面漆具有良好的抗紫外线能力。比较之下常用丙烯酸聚氨酯面漆不具备此类主链结构，如果不进行特殊改性，其抗紫外线老化性能是有限的。因此，在紫外线比较强烈的区域，建议使用氟碳面漆作为保护层。

4 结论

本文选择相同的材质，进行同样的前处理，获得粗糙度相差不大的试片表面，选择“环氧底漆+氟碳面漆”与“环氧底漆+丙烯酸聚氨酯面漆”进行涂装并进行耐腐蚀与老化试验测试，结论如下：

（1）中性盐雾试验表明，两种涂装体系获得的漆膜耐腐蚀性差别不大，采用“环氧底漆+氟碳面漆”体系略优于“环氧底漆+丙烯酸聚氨酯面漆”体系。

（2）人工气候老化试验表明，无论是连续辐照方式还是非连续辐照方式，氟碳涂料涂层明显优于丙烯酸聚氨酯涂层。人工气候老化试验，经过非连续光照1464 h后氟碳涂层才逐渐出现失光与变色，经过连续光照1152 h后，氟碳涂层表面有轻微的锈迹，但无明显的锈斑出现，分散有极少数黑斑。在沿海、海岛、化工园区与高海拔地区紫外线比较强烈的区域适合使用。