張小塔，范 純，王文彬，范思亮 （寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

0 引言

彩涂板涂層耐劃傷性能是評價涂層性能的一個重要指標，若該指標不能滿足要求，彩涂板在運輸、裝卸和加工過程中，易被外物劃傷，影響彩涂板的美觀效果和使用壽命。

彩涂板的耐劃傷性能是通過耐劃傷試驗來評估的，標準EN 13523—12 ：2017 和GB/T 13448—2019規(guī)定了具體的試驗方法：負荷一定質(zhì)量的鋼針在彩涂板涂層表面緩慢移動，并觀察鋼針是否劃破涂層至基板或劃破涂層，以一定質(zhì)量下鋼針剛未劃破涂層的最大負重來評定彩涂板涂層的耐劃傷性能。彩涂板耐劃傷性能檢測設(shè)備一般為英國Sheen 公司生產(chǎn)的型號為705 的檢測設(shè)備，本研究探討的耐劃傷性能的影響因素，就是基于該設(shè)備的檢測結(jié)果。

彩涂板耐劃傷性能的檢測結(jié)果受到多種因素的影響，其中涂層厚度的影響有了初步研究結(jié)果［1］，即家電彩涂板正面耐劃傷結(jié)果與涂層厚度存在一定的關(guān)系。本研究進一步探討彩涂板耐劃傷性能的其他重要影響因素。

1 試樣方面

彩涂板的基板、涂料類型，以及試樣時效性和均勻性，都會影響其耐劃傷性能的檢測結(jié)果。

1.1 試樣基板

分別取涂料類型為環(huán)氧改性聚酯背面漆、普通聚酯漆（PE）、高性能聚酯漆（HDP）和氟碳漆（PVDF）的彩涂板，每個涂料類型彩涂板的基板又有3 個種類，分別為高鋁鋅鋁鎂基板、鍍鋁鋅基板和熱鍍鋅基板，共12 個試樣。采用耐劃傷儀分別測定上述試樣的耐劃傷性能，結(jié)果見圖1。

圖1 不同基板彩涂板的耐劃傷性能檢測結(jié)果Figure 1 Scratch resistance results of color coated sheets on different substrates

由圖1 可知，上述4 個涂料類型的彩涂板，不同基板的耐劃傷性能測定結(jié)果（劃破涂層的最大負重）是有差異的。尤其是熱鍍鋅基板的彩涂板的耐劃傷結(jié)果比高鋁鋅鋁鎂基板和鍍鋁鋅基板的彩涂板高200 g 以上，而高鋁鋅鋁鎂基板與鍍鋁鋅基板彩涂板的耐劃傷結(jié)果基本一致。這與不同基板的鍍層平整性有密切關(guān)系。圖2 中分別是高鋁鋅鋁鎂基板彩涂板、鍍鋁鋅彩涂板和熱鍍鋅彩涂板橫截面的電鏡照片。從圖2 中可以看出，高鋁鋅鋁鎂鍍層（AM）和鍍鋁鋅鍍層（AZ）的平整性明顯比熱鍍鋅鍍層（Z）差。這些不平整的“凸起”部位，在進行耐劃傷性能測試時，由于堅硬的阻絆作用，此處的涂層最容易被劃破，造成耐劃傷性能檢測結(jié)果偏低。所以，對于相同涂料類型的彩涂板，高鋁鋅鋁鎂基板和鍍鋁鋅基板彩涂板的耐劃傷性能檢測結(jié)果比熱鍍鋅基板彩涂板的低。

圖2 不同基板彩涂板橫截面的電鏡照片F(xiàn)igure 2 Electron microscopic images of cross sections of color coated sheets on different substrates

1.2 涂料類型

分別取涂料類型為普通聚酯漆（PE）、高性能聚酯漆（HDP）和氟碳（PVDF）的不同顏色的高鋁鋅鋁鎂基板彩涂板，涂層厚度（20~25）μm，檢測其耐劃傷性能，結(jié)果見圖3。由圖3 可知，HDP 和PE 彩涂板的耐劃傷性能高些，而PVDF 彩涂板的耐劃傷性能低些，這與彩涂板涂層的固有特性有關(guān)。一般情況下，涂層結(jié)構(gòu)比較致密，硬度高，耐劃傷性能就會好些。也與涂料的烘烤工藝有關(guān)，烘烤溫度足夠，涂料固化程度高，其耐劃傷性能也會更好。但是涂料不能過度烘烤，否則會影響涂層的其他性能。

1.3 試樣的時效性

圖3 不同涂料類型彩涂板的耐劃傷結(jié)果Figure 3 Scratch resistance results for different paint types of color coated sheets

取不同類型的4 個彩涂板試樣，在溫度（23±2）℃、相對濕度20 %~80 %的實驗室環(huán)境中分別放置0 h（剛制備出）、8 h、24 h、48 h、72 h、14 d、32 d，檢測其較小區(qū)域內(nèi)的耐劃傷性能，結(jié)果見圖4。從圖4 中可以看出，試樣2 和試樣4 的耐劃傷檢測結(jié)果與試樣放置時間沒有明顯關(guān)系；而試樣1 和試樣3，在放置24 h 內(nèi)耐劃傷性能有明顯增加，后續(xù)隨著試樣放置時間的延長，耐劃傷結(jié)果逐漸趨于穩(wěn)定。這是因為，彩涂板剛制備出來的24 h 內(nèi)，其內(nèi)部的交聯(lián)反應仍在進行，使得涂料固化度進一步提高，其耐劃傷性能也會隨之提高。24 h 以后，交聯(lián)反應基本結(jié)束，彩涂板的耐劃傷性能也趨于穩(wěn)定，不再變化。正因為此，GB/T 13448—2019 規(guī)定試樣在進行耐劃傷性測試前，需在實驗室環(huán)境條件下至少放置24 h。

圖4 耐劃傷檢測結(jié)果時效性Figure 4 Timeliness of scratch resistance test results

1.4 烘烤溫度均勻性

沿彩涂板帶寬方向依次剪出8 個試樣，分別測定這8 個試樣的耐劃傷性能，結(jié)果見圖5。從圖5 中可以看出，彩涂板帶寬兩側(cè)耐劃傷結(jié)果偏高些，中間區(qū)域耐劃傷結(jié)果偏低些。這可能與彩涂板在烘烤爐中的烘烤溫度分布不均勻有關(guān)。烘烤溫度高的區(qū)域，耐劃傷性能會好些，烘烤溫度低的區(qū)域，耐劃傷性能會差一些。

圖5 彩涂板不同位置的耐劃傷性檢測結(jié)果Figure 5 Test results of scratch resistance at different positions of color coated sheets

2 檢測設(shè)備方面

耐劃傷儀的鋼針針頭、負重裝置等是檢測設(shè)備方面影響耐劃傷檢測結(jié)果的主要因素。

2.1 鋼針針頭

705 型號的耐劃傷儀有專用的鋼針針頭，其直徑為（1.00±0.05） mm。分別取6 個不同類型的彩涂板試樣，包括PE、PVDF、HDP、SMP（硅改性聚酯漆）和環(huán)氧改性聚酯背面漆，更換新鋼針針頭后，分別在檢測60 個、200 個，以及350 個其他試樣后，再依次檢測這6 個試樣的耐劃傷性能，檢測結(jié)果見表1。從表1 中可以看出，檢測60 個試樣后，再檢測上述6 個試樣的耐劃傷結(jié)果，與剛更換針頭后的測定結(jié)果一致或略有增加；檢測200 個試樣后再檢測上述6 個試樣的耐劃傷結(jié)果，與剛更換針頭后的測定結(jié)果相比，負重增加100~200 g，該增加幅度在可接受范圍內(nèi)；檢測350 個試樣后再檢測上述6 個試樣的耐劃傷結(jié)果，與剛更換針頭后的測定結(jié)果相比，負重增加200~700 g，增加幅度較大，一般情況下不可接受。

隨著測試試樣的增加，耐劃傷儀的鋼針針頭會逐漸磨損，針頭剛開始為（1.00±0.05）mm 的半球，會逐漸被磨鈍或磨平，造成測定結(jié)果偏高。通過上述試驗可知，要得到可靠的彩涂板耐劃傷性檢測結(jié)果，每個針頭測試的試樣不易超過200 個。

表1 針頭磨損對彩涂板耐劃傷性能檢測結(jié)果的影響Table 1 Influence of needle wear on scratch resistance test results

2.2 負重裝置

耐劃傷儀的負重裝置必須處于良好的狀態(tài)，要確保鋼針上方負重砝碼的質(zhì)量通過鋼針能完全施加在試樣上。要做到這一點，必須滿足2 個條件：1）通過平衡重塊調(diào)整負重裝置的橫梁處于平衡狀態(tài)；2）耐劃傷儀在針劃試樣時，橫梁與縱軸必須是分離狀態(tài)，確保橫梁上方的砝碼質(zhì)量全部施加在試樣上。在針劃試樣時，若橫梁與縱軸是接觸的，橫梁上方砝碼的質(zhì)量部分施加在縱軸上，沒有全部作用在試樣上，這樣就會造成彩涂板耐劃傷性能的測定結(jié)果偏高。

3 檢測方法方面

從檢測標準角度看，EN 13523—12—2017 和GB/T 13448—2019 關(guān)于耐劃傷試驗方法的規(guī)定基本一致，但也有細微的差異，具體見表2。從表2 中可以看出，GB/T 13448—2019 規(guī)定了試樣測試前需在實驗室環(huán)境條件下放置至少24 h，以及明確了負重砝碼施加的質(zhì)量間隔，從而確保檢測結(jié)果有較好的重復性和再現(xiàn)性；另外，與EN 13523—12—2017 相比，GB/T 13448—2019 增加了逐漸減小砝碼負重的施加方法，以及是否劃破涂層面漆的結(jié)果評定方法。其中，是否劃破涂層面漆的結(jié)果評定方法，要比是否劃破涂層至基板的評定方法更嚴苛，測定結(jié)果偏低些。

表2 耐劃傷試驗不同檢測標準的差異Table 2 Difference of different test standards for scratch resistance test

在進行耐劃傷性能測試中，為了考察負重逐漸增加方法和負重逐漸減少方法間的差異，取了不同涂料類型的2 個彩涂板試樣，分別采用上述2 種方法測定21 次。負重逐漸減少方法為：砝碼負重從3 600 g開始，3 000 g 以上每次減300 g ；2 000~3 000 g 每次減200 g ；2 000 g 以下每次減100 g，直至找出未劃破涂層的最小砝碼負重。負重逐漸增加方法的砝碼負重從300 g 開始，砝碼每次增加質(zhì)量與上述負重逐漸減少的砝碼質(zhì)量相同。測定結(jié)果的均值見表3。由表3 可知，負重逐漸減少的方法比負重逐漸增加的方法檢測結(jié)果偏低500 g 左右，且負重逐漸減少的方法測定結(jié)果的相對標準偏差約是負重逐漸增加方法的1/2，檢測結(jié)果的重復性明顯優(yōu)于負重逐漸增加的方法。所以，在進行耐劃傷性能比對試驗時，需要明確負重施加方法，為了提高檢測結(jié)果的重復性，推薦采用負重逐漸減少的方法。

在進行砝碼負重逐漸減少的耐劃傷性能測試時，每個砝碼負重下完成針劃操作后，要用硬毛刷把鋼針針頭黏附的涂層碎屑清掃干凈。否則，涂層碎屑黏附在針頭上，可能會造成下個砝碼負重下未能劃破涂層，這樣就會造成測定結(jié)果偏高。為避免這種情況，若遇到未劃破涂層時，需要在相同負重下重新針劃一次，進行確認，若兩次都未能劃破涂層，耐劃傷性能測定結(jié)果即為該負重值，否則應減少砝碼負重，繼續(xù)進行測試。

表3 不同負重施加方法的耐劃傷性能測定結(jié)果Table 3 Scratch resistance results measured by different loading methods

另外，無論采用負重逐漸增加還是負重逐漸減少的方法，在檢測過程中都不能有較長時間的停頓，增加或減少砝碼的操作需要連貫進行下去，直到完成整個測試。

4 結(jié)語

采用英國Sheen 公司型號為705 的檢測設(shè)備測定彩涂板的耐劃傷性能，分析了影響檢測結(jié)果的因素：熱鍍鋅基板的彩涂板的耐劃傷結(jié)果比高鋁鋅鋁鎂基板和鍍鋁鋅基板的彩涂板高200 g 以上；HDP 和PE彩涂板的耐劃傷性能高些，而PVDF 的耐劃傷性能低些；某些涂料類型的彩涂板的耐劃傷性能檢測性具有一定的時效性，試樣放置24 h 后的耐劃傷結(jié)果趨于穩(wěn)定；耐劃傷檢測結(jié)果沿帶寬方向可能呈現(xiàn)出波動性，這與烘烤溫度不均勻有關(guān)；耐劃傷儀鋼針針頭的磨損會造成檢測結(jié)果偏高，一般測試200 個試樣后需要更換新的針頭；要確保耐劃傷儀負重裝置鋼針上方負重砝碼的質(zhì)量通過鋼針完全施加在試樣上；不同涂料類型的彩涂板試樣負重逐漸減少方法與負重逐漸增加方法檢測結(jié)果之間有差異，為了提高檢測結(jié)果的重復性，推薦采用負重逐漸減少的測試方法；在進行砝碼負重逐漸減少的耐劃傷測試時，若鋼針針頭黏附的涂層碎屑未清掃干凈，會造成檢測結(jié)果偏高。