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        粗糙度對水性涂料涂裝膜層結(jié)合力的影響

        2022-12-20 10:28:46
        電鍍與精飾 2022年12期

        陳 婧

        (貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)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(hù)意識的增強(qiáng),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(jìn)步仍舊是比較明顯的[3],技術(shù)人員從改善漆料種類、嚴(yán)控前處理方式、優(yōu)化涂裝施工工藝參數(shù)等各個方面進(jìn)行了改進(jìn),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(diǎn),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(jī)械咬合作用,在破壞應(yīng)力作用下二者共同阻礙漆膜的運(yùn)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(kuò)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(jìn)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(bào)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(jìn)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(shí)驗(yàn)部分

        2.1 基材選擇

        試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)總時間為1300 h。

        3 試驗(yàn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行噴砂后試片變形,采用150目砂粒進(jìn)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(yàn)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(jì)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(yán)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(xì)化,為120目時,粗糙度進(jìn)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(jìn)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(shí)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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。基體表面粗糙度越大,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(diǎn),在受到外力的作用下,可產(chǎn)生強(qiáng)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(yàn)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(yàn)結(jié)果。

        表6 中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)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(yàn)進(jìn)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(yàn)狀況與80目差不多,試驗(yàn)進(jìn)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(yàn)進(jìn)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(yàn)進(jìn)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(yàn)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(jìn)行涂裝,在滿足其余條件的情況下,盡量選擇較大的砂粒進(jìn)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(yàn)形貌。

        圖2 80目的砂粒噴砂后涂裝漆膜腐蝕試驗(yàn)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(jìn)行噴砂作為前處理工藝,選用水性涂料作為涂裝防護(hù)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(jìn)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(jìn)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(yán)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。

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