粗糙度對水性涂料涂裝膜層結(jié)合力的影響

陳 婧

（貴州交通職業(yè)技術(shù)學院汽車工程系，貴州貴陽 550008）

水性涂料是以水作為溶劑的涂料，在工業(yè)生產(chǎn)各個領(lǐng)域已逐漸被接受。在金屬材料防腐蝕工程應(yīng)用中比較成熟的水性涂料是電泳涂料，其耐腐蝕性能優(yōu)異，但在其余多數(shù)工程應(yīng)用中，防腐性能的欠缺使其廣泛使用受限。隨著環(huán)境保護意識的增強，水性涂料代替溶劑型涂料是涂裝技術(shù)發(fā)展的必然趨勢［1-2］。盡管應(yīng)用于金屬防腐蝕領(lǐng)域水性涂料與溶劑型涂料相互比較而言其性能還存在一定差距，其技術(shù)進步仍舊是比較明顯的［3］，技術(shù)人員從改善漆料種類、嚴控前處理方式、優(yōu)化涂裝施工工藝參數(shù)等各個方面進行了改進，為水性涂料涂裝生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

基于溶劑型涂料涂裝的研究成果，前處理是影響涂層質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，可以保證零部件獲得所需的表面狀態(tài)，如合適的粗糙度是作為涂層與基體結(jié)合的質(zhì)點，首先漆膜與凸凹不平的基體表面存在正常的結(jié)合，同時還存在相互之間的機械咬合作用，在破壞應(yīng)力作用下二者共同阻礙漆膜的運動，防止其發(fā)生破裂。對于水性涂料涂層來講，獲得合適的粗糙度對于提高涂層與基體的結(jié)合力同樣尤為重要。為此本文選擇市售水性涂料，以噴砂作為前處理工藝，研究粗糙度對涂裝與基體結(jié)合力的影響，為水性涂料涂裝生產(chǎn)提供借鑒。

1 前處理方案

噴砂是較為常見的涂裝前處理工藝，不同直徑的砂粒在噴砂后零部件表面可以獲得不同的粗糙度，合適的粗糙度可以保證涂層的質(zhì)量［4-6］。目前工程應(yīng)用中多數(shù)涂裝基體材料為鋁合金、普通鋼鐵材料與不銹鋼，材質(zhì)不同采用相同粒徑的砂粒噴砂處理后其粗糙度是不同的，因此需要根據(jù)不同基體材料確定噴砂的具體工藝參數(shù)。

鋁合金表面容易生成的覆蓋物是氧化鋁層，致密地覆蓋于金屬表面，這一層氧化膜比較薄，且鋁合金基體較軟，在噴砂過程中受到?jīng)_擊容易脫落。普通鋼鐵材料表面容易生成的覆蓋物是氧化皮與銹蝕，雖然氧化皮比較薄且容易除去，但是銹蝕一般容易向內(nèi)部擴散，因此去除普通鋼鐵材料表面的氧化皮與銹蝕需要較大的沖擊力。不銹鋼表層容易發(fā)生鈍化，對其進行涂裝同樣需徹底去除其表面的鈍化膜，但涂裝類不銹鋼零部件一般屬于薄壁件，砂粒的顆粒度如果較大，可能會引起基體材料變形，最終造成零部件報廢。

考慮到基體材料的不同，選用石英砂，粒徑分別為80～100目、120～150目與150～180目。對于三類不同的基材試樣，均以規(guī)格相同的砂粒擊打其表面獲取合適的粗糙度，然后進行涂裝，測試其附著力與耐腐蝕性能，以優(yōu)化前處理方式，便于生產(chǎn)的統(tǒng)一組織。

2 實驗部分

2.1 基材選擇

試驗基材為6005鋁合金、45#鋼與202不銹鋼，粗糙度為1.6 μm。6005鋁合金、45#鋼試片規(guī)格：100 mm×70 mm×5 mm。202不銹鋼試片規(guī)格：100 mm×70 mm×5 mm，100 mm×70 mm×4 mm，100 mm×70 mm×3 mm，100 mm×70 mm×2 mm，100 mm×70 mm×1 mm?；w材料成分見表1。

表1 基體材料成分Tab.1 The composition of the matrix materials

涂裝體系為市售水性環(huán)氧底漆與水性丙烯酸聚氨酯面漆。

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600～700 mm，槍速為0.55 m/s，石英砂，粒徑分別為80目、100目、120目與150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

所有試驗均測試5個樣品。采用型號為Mitu‐toyo 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鹽霧腐蝕試驗箱測試膜層耐蝕性，測試條件：5%NaCl溶液，pH6.5～7.2，溫度35±2℃，連續(xù)噴霧，觀察周期100 h，試驗總時間為1300 h。

3 試驗結(jié)果

3.1 變形量

噴砂處理后試樣變化明顯，試樣厚度較大時，不論使用哪一種粒徑的砂粒進行噴砂處理，試片均無明顯變形。但試片過薄時，噴砂后試片變形較大。具體來講，厚度為5 mm的6005鋁合金與45#普通鋼材，采用不同粒徑的砂粒噴砂后，試片均無變形。厚度為5 mm與4 mm的202不銹鋼試片采用不同粒徑的砂粒噴砂后均無變形，厚度為3 μm的試片采用80～120目的砂粒進行噴砂后試片變形，采用120～150目的砂粒噴砂后無變形，厚度為2 mm與1 mm的試片采用80～120目的砂粒進行噴砂后試片變形，采用150目砂粒進行噴砂后試片無變形。6005的鋁合金與45#普通鋼材因其價格便宜，使用過程中零部件壁厚較大。而對于不銹鋼由于其本身具備良好的耐腐蝕性能且價格較高，所以其零部件壁厚較薄，采用噴砂作為前處理工藝，需考慮零部件變形問題。本文旨在驗證噴砂對漆膜附著力的影響，故下文論述各種材質(zhì)的試片厚度均為5 mm，試片噴砂后無變形。噴砂后基體變形情況統(tǒng)計結(jié)果如表2。

表2 基體噴砂變形Tab.2 Deformation of matrix by sandblasting

3.2 粗糙度

基材經(jīng)過噴砂處理后粗糙度如表3，總體看各類基體材料的表面粗糙度均發(fā)生不同程度的粗化，且隨著砂粒顆粒度的增加零部件表面粗化更加嚴重。不同之處是鋁合金粗化更加明顯，45#鋼與202不銹鋼粗化較輕，這主要與基體材料本身性能有關(guān)，鋁合金材質(zhì)較軟，所以在相同的砂粒與沖擊載荷的作用下形成的接觸坑較深，粗糙度值較大。而45#鋼與202不銹鋼本身較硬，在相同砂粒與沖擊載荷作用下形成的接觸坑較淺，試樣表面粗糙度值較小。

表3 基材噴砂后粗糙度Tab.3 Roughness of matrix after sand blasting

具體來看，鋁合金試片噴砂后，砂粒粒度比較粗大為80目時，噴砂后形成的表面粗糙度數(shù)值較大，均值為23.9 μm。砂粒顆粒度為100目時，粗糙度均值為17.0 μm，粗糙度數(shù)值有所下降。隨著砂粒顆粒度繼續(xù)細化，為120目時，粗糙度進一步減小，均值為12.2 μm。而砂粒顆粒度為150目時，粗糙度均值降為8.1μm。

對于45#鋼試片經(jīng)過噴砂后，其噴砂面也不同程度粗化，砂粒粒度為80目時，試樣粗糙度均值為20.2 μm。砂粒粒度為100目時，粗糙度有所下降，均值為15.0 μm。砂粒顆粒度為120目時，粗糙度繼續(xù)下降，均值為10.1 μm。砂粒顆粒度為150目時，粗糙度進一步下降，均值為6.0 μm。202不銹鋼試片經(jīng)噴砂后，其噴砂面也不同程度的粗化，其粗糙度變化與普通鋼鐵45#鋼相似，在砂粒尺寸為80目、100目、120目與150目時，粗糙度均值依次為20.0 μm、15.0 μm、10.0 μm與6.00 μm。

3.3 涂層厚度

采用水性涂料施工，從漆膜的宏觀狀況看，對各類基材實施噴砂前處理+水性涂料涂裝施工，涂層狀態(tài)良好，漆膜比較光滑，幾乎不存在什么漆豆與橘皮等缺陷。

涂層厚度如表4，表中列舉出底漆膜層厚度與膜層總厚度，可以看出，底漆膜層厚度介于33.0～36.0 μm之間，總厚度介于103.0～106.0 μm之間，另外無論是底漆涂層厚度還是總厚度均相差不多，對于試樣之間性能比較或者定量評價漆膜的耐腐蝕性能更具說服力。

表4 涂層厚度測試結(jié)果Tab.4 The thickness of the coatings

3.4 涂層附著力

附著力測試結(jié)果如表5，隨著砂粒粒徑變小，漆膜附著力逐漸減小，無論是鋁合金、45#鋼與202不銹鋼均表現(xiàn)出相同規(guī)律。對于鋁合金來講，其噴砂砂粒粒徑為80目，漆膜的附著力均值為10.10 MPa；砂粒粒徑為100目，漆膜的附著力均值為9.20 MPa，與粒徑為80目的砂粒噴砂后獲得的漆膜比較附著力有所降低；當砂粒粒徑為120目，漆膜的附著力繼續(xù)降低，均值約為8.20 MPa；而當砂粒粒徑為150目時，漆膜的附著力均值約為7.40 MPa。對于45#鋼，其噴砂砂粒粒徑為80目，試樣漆膜的附著力均值為9.70 MPa；砂粒粒徑為100目，漆膜的附著力均值為8.70 MPa；當砂粒粒徑為120目，漆膜的附著力繼續(xù)降低，均值約為7.80 MPa；而當砂粒粒徑為150目時，漆膜的附著力均值約為7.00 MPa。對于202不銹鋼來講，其噴砂砂粒粒徑為80目，漆膜的附著力均值為9.70 MPa；砂粒粒徑為100目，漆膜的附著力均值為8.60 MPa；當砂粒粒徑為120目，漆膜的附著力繼續(xù)降低，均值約為7.80 MPa；而當砂粒粒徑為150目時，漆膜的附著力均值約為6.90 MPa。

表5 涂層結(jié)合力Tab.5 The binding force of the coating

三種基體材料涂層均表現(xiàn)出相同的規(guī)律，即砂粒粒徑越大，漆膜附著力越大，這主要與漆膜和基體的結(jié)合方式有關(guān)，同種水性漆涂料，漆膜附著力與基體表面狀況關(guān)系密切?；w表面粗糙度越大，漆膜與基體二者之間結(jié)合面存在較深的凸凹區(qū)域，作為作用質(zhì)點，在受到外力的作用下，可產(chǎn)生強有力的阻礙作用，抑制漆膜的滑動與變形，漆膜與基體保持良好的結(jié)合，其結(jié)合情況如圖1所示。

圖1 漆膜與基體結(jié)合示意圖Fig.1 The adhesion between paint film and substrate

3.5 腐蝕性能測試

試驗中選取45#普通鋼鐵材料作為代表，測試涂裝層的耐蝕性能，表6為中性鹽霧試驗結(jié)果。

表6 中性鹽霧腐蝕試驗統(tǒng)計結(jié)果Tab.6 Statistical results of neutral salt spray corrosion test

粒徑為80目的砂粒噴砂后涂層試驗進行至1000 h時，涂層沒有出現(xiàn)起泡、剝落、生銹與開裂現(xiàn)象，1100 h時見氣泡，1200 h時氣泡增加。粒徑為100目的砂粒噴砂后涂層試驗狀況與80目差不多，試驗進行至1000 h時涂層狀況良好，1100 h時氣泡出現(xiàn)，1200 h時氣泡增加。粒徑為120目的砂粒噴砂后涂層試驗進行至800 h時涂層沒有出現(xiàn)起泡、剝落、生銹與開裂現(xiàn)象，900 h時氣泡可見，1000 h時氣泡增加。粒徑為150目的砂粒噴砂之后涂層試驗進行至700 h時涂層沒有出現(xiàn)起泡、剝落、生銹與開裂現(xiàn)象，800 h時見氣泡，900 h時氣泡增加。

腐蝕試驗結(jié)果與砂粒粒徑、粗糙度、附著力關(guān)聯(lián)比較明顯。砂粒粒徑較大，獲得的粗糙度較大，涂層與基體結(jié)合情況良好，附著力比較大，耐腐蝕性能良好。反之，砂粒粒徑較小，獲得的粗糙度比較小，涂層與基體結(jié)合情況較差，附著力比較小，耐腐蝕性能稍差。因此如果采用水性涂料進行涂裝，在滿足其余條件的情況下，盡量選擇較大的砂粒進行噴砂，以獲得較好的涂層性能。圖2為80目的砂粒噴砂后涂裝漆膜腐蝕試驗形貌。

圖2 80目的砂粒噴砂后涂裝漆膜腐蝕試驗Fig.2 Corrosion test of coating film after sand blasting with 80 mesh

4 結(jié)論

本文采用不同粒度的砂粒進行噴砂作為前處理工藝，選用水性涂料作為涂裝防護層，選用鋁合金、45#普通鋼鐵材料與202不銹鋼為基體材料，對試樣進行了比較系統(tǒng)的檢測與分析。獲得以下結(jié)論：

（1）對于厚度比較大的零部件，可以選用各種粒度的砂粒進行噴砂前處理，不會引起零部件變形，對于薄壁不銹鋼類零部件需要嚴格控制其前處理的砂粒粒徑，保證零部件不變形。

（2）砂粒粒徑較大，獲得的粗糙度較大，涂層與基體結(jié)合情況良好，附著力較大，耐腐蝕性能良好。反之，砂粒粒徑較小，獲得的粗糙度較小，涂層與基體結(jié)合情況較差，附著力較小，耐腐蝕性能稍差。