李增權(quán)，李紅艷

（河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院機(jī)電系，河南平頂山，467000）

涂裝產(chǎn)品應(yīng)用較多的面漆為丙烯酸聚氨酯類(lèi)涂料與氟碳涂料，在沿海、海島、化工園區(qū)與高海拔地區(qū)，一般需要適應(yīng)其復(fù)雜多樣的溫度、濕度、輻射等氣候條件。在熱帶亞熱帶沿海濕熱地區(qū)，涂裝產(chǎn)品表面由于氯鹽沉積，紫外線照射，使得產(chǎn)品在運(yùn)行幾年后會(huì)出現(xiàn)比同期在其它區(qū)域使用的涂裝產(chǎn)品更為嚴(yán)重的漆膜失光和粉化現(xiàn)象。同樣，在高海拔地區(qū)同樣會(huì)因?yàn)楦咴貐^(qū)紫外線照射強(qiáng)烈造成漆膜出現(xiàn)嚴(yán)重的失光、變色與粉化，因此需比較兩種涂料的耐候性以供生產(chǎn)選用。氟碳面漆中含有大量的F-C鍵，其鍵能較大，非常穩(wěn)定，在使用過(guò)程中不易因?yàn)榉纸舛刍噬?，服役壽命較長(zhǎng)［1-4］，技術(shù)人員對(duì)于氟碳面漆從多個(gè)方面進(jìn)行了研究［5-7］，是比較理想的抗老化漆層［8］。但是基于具體的試驗(yàn)條件，詳細(xì)的性能比較在報(bào)道中還不多見(jiàn)，在具體的腐蝕環(huán)境中涂裝體系設(shè)計(jì)可以借鑒的數(shù)據(jù)往往來(lái)自不同的文獻(xiàn)，數(shù)據(jù)存在一定偏差，因此本文針對(duì)聚氨酯面漆與氟碳面漆的耐候性進(jìn)行人工氣候加速老化對(duì)比試驗(yàn)，為生產(chǎn)提供借鑒。

2 試驗(yàn)

試驗(yàn)試片共10件，擬采用“環(huán)氧底漆+氟碳面漆”涂裝體系的5件。擬采用“環(huán)氧底漆+丙烯酸聚氨酯面漆”涂裝體系的5件。試片進(jìn)行噴砂處理，目的為了粗化其表面，為漆膜與基體結(jié)合提供更多的質(zhì)點(diǎn)，提高漆膜與基體的結(jié)合力。

2.1 基材選擇

試驗(yàn)基材為40Cr，試片規(guī)格：100 mm×70 mm×5 mm，原始粗糙度設(shè)計(jì)為1.6 μm。

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 mm，槍速為0.55 m/s，石英砂，粒徑為80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(cè)

采用型號(hào)為Mitutoyo SJ210粗糙度測(cè)試儀檢測(cè)噴砂后粗糙度。選用DP-2100厚度測(cè)量?jī)x測(cè)試底漆膜層厚度與膜層總厚度。選用DeFelskoAT-A拉拔儀測(cè)試膜層附著力。

選用JST-120鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱測(cè)試膜層耐蝕性，測(cè)試條件：5 wt%NaCl溶液，pH值6.5～7.2，溫度35±2℃，連續(xù)噴霧，觀察周期100 h，試驗(yàn)總時(shí)間為1400 h。

選用SN-900氙燈人工氣候老化試驗(yàn)箱進(jìn)行漆膜抗老化試驗(yàn)。具體操作如表1，分為連續(xù)光照模式與非連續(xù)光照模式。

表1 人工氣候老化試驗(yàn)操作程式Tab.1 Operation program for artificial climate aging test

3 結(jié)果與討論

3.1 粗糙度、涂層厚度與附著力

采用“環(huán)氧底漆+氟碳面漆”涂裝體系的5件試樣，噴砂后粗糙度為10.0～10.4 μm，均值為10.18 μm。涂層厚度為100～106 μm，均值為102.8 μm。附著力為9.9～11.7 MPa，均值為10.56 MPa。

采用“環(huán)氧底漆+丙烯酸聚氨酯面漆”涂裝體系的5件試樣，噴砂后粗糙度為9.7～10.2 μm，均值為10.0 μm。涂層厚度100～105 μm，均值為102.2 μm。附著力為10.4～11.0 MPa，均值為10.66 MPa。

試樣的獲得的粗糙度、漆膜總厚度與附著力均相差不大，且波動(dòng)不大，對(duì)于比較不同涂裝體系之間涂層的耐腐蝕性能與抗老化性能更具說(shuō)服力。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2與圖1中所示，分別列舉出來(lái)二者的測(cè)試數(shù)據(jù)、均質(zhì)與誤差值。

圖1 粗糙度、涂層厚度與附著力Fig.1 The roughness，thickness and binding force of the coatings

表2 粗糙度、涂層厚度與附著力結(jié)果Tab.2 The roughness，thickness and binding force of the coatings

3.2 腐蝕性能測(cè)試

中性鹽霧試驗(yàn)結(jié)果如表3、圖2與圖3所示，兩種涂裝體系涂層的耐腐蝕性相差不多，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行漆膜均出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。具體來(lái)講，環(huán)氧底漆+氟碳面漆體系試驗(yàn)進(jìn)行至1100 h，涂層未起泡、未剝落、未生銹、未開(kāi)裂，漆膜褪色。至1200 h，5件樣品中2件出現(xiàn)氣泡，3件狀況良好，漆膜褪色加重。至1300 h，5件均見(jiàn)氣泡，氣泡變大，且氣泡密度變大，漆膜褪色比較嚴(yán)重。環(huán)氧底漆+丙烯酸聚氨酯面漆體系試驗(yàn)進(jìn)行至1100 h，涂層未起泡、未剝落、未生銹、未開(kāi)裂，漆膜褪色。至1200 h，3件出現(xiàn)氣泡，2件狀況良好，漆膜褪色加重。至1300 h，5件均見(jiàn)氣泡，氣泡變大，且氣泡密度變大，漆膜褪色比較嚴(yán)重。

圖2 環(huán)氧底漆+氟碳面漆體系涂層中性鹽霧試驗(yàn)形貌Fig.2 Morphologies for the corrosion resistance of epoxy primer plus fluorocarbon finish after neutral salt spray testing

圖3 環(huán)氧底漆+丙烯酸聚氨酯面漆體系涂層中性鹽霧試驗(yàn)形貌Fig.3 Morphologies for the corrosion resistance of epoxy primer plus acrylic polyurethane finish after neutral salt spray testing

表3 中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.3 Statistical results of neutral salt spray corrosion test

盡管兩種涂裝體系獲的涂層在中性鹽霧試驗(yàn)過(guò)程中樣品腐蝕狀況存在差別，但這種差別較小，可視為相同的耐腐蝕等級(jí)。另外需說(shuō)明的是，環(huán)氧底漆+氟碳面漆體系與環(huán)氧底漆+丙烯酸聚氨酯面漆體系比較，漆膜并沒(méi)有表現(xiàn)出更加優(yōu)秀的耐蝕性能，這與試驗(yàn)條件有直接關(guān)系，氟碳面漆含有大量的FC鍵，其鍵能較大且比較穩(wěn)定，具有更優(yōu)的抗紫外線性能，在高原、低緯度地區(qū)具有更優(yōu)的耐腐蝕性能，而中性鹽霧試驗(yàn)氣氛僅僅是含Cl-的腐蝕環(huán)境，不能有效破壞F-C鍵，對(duì)漆膜的影響有限。

3.3 老化試驗(yàn)

3.3.1 非連續(xù)光照

按照GB／T1766《色漆和清漆涂層老化的評(píng)級(jí)方法》對(duì)老化試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)級(jí)。觀測(cè)周期隨試驗(yàn)時(shí)間增加逐漸縮短。結(jié)果統(tǒng)計(jì)如4，試驗(yàn)開(kāi)始的第一個(gè)月內(nèi)，即約700 h后，氟碳涂層與丙烯酸聚氨酯類(lèi)涂層均表現(xiàn)出一定的耐候性，無(wú)明顯老化特征。在第二個(gè)月內(nèi)，二者出現(xiàn)一定的差別，丙烯酸聚氨酯涂層開(kāi)始出現(xiàn)輕度的老化現(xiàn)象，約960 h后，涂層開(kāi)始出現(xiàn)明顯的老化現(xiàn)象，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，涂層老化現(xiàn)象明顯。而氟碳面漆在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，經(jīng)歷1464 h的老化試驗(yàn)，涂層逐漸出現(xiàn)失光與變色。

試驗(yàn)過(guò)程記錄試片形貌如圖4，經(jīng)過(guò)1464 h老化試驗(yàn)，氟碳面漆涂層老化程度比較輕微，而丙烯酸聚氨酯面漆涂層則出現(xiàn)明顯的老化現(xiàn)象。

圖4 非連續(xù)光照試片1464 h后形貌Fig.4 Morphologies of fluorocarbon finish and acrylic polyurethane finish for 1464 h after discontinuous illumination

表4 非連續(xù)光照抗老化性能統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistics on anti aging performance of discontinuous light

3.3.2 連續(xù)光照

連續(xù)光照加速老化試驗(yàn)觀測(cè)周期為96 h，結(jié)果如表5。試驗(yàn)進(jìn)行至96 h，氟碳面漆開(kāi)始出現(xiàn)失光與變色現(xiàn)象，而丙烯酸聚氨酯涂層失光與變色已經(jīng)比較明顯，并且開(kāi)始出現(xiàn)粉化現(xiàn)象，銹斑較明顯。隨著試驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行，氟碳面漆與丙烯酸聚氨酯涂層二者比較體現(xiàn)出更加優(yōu)異的抗老化性能，即經(jīng)過(guò)1152 h的連續(xù)老化試驗(yàn)，氟碳面漆失光明顯、變色輕微，粉化比較輕微，而丙烯酸聚氨酯面漆涂層失光嚴(yán)重、變色明顯，并已有明顯的粉化現(xiàn)象。

表5 連續(xù)光照抗老化性能統(tǒng)計(jì)Tab.5 Statistics on anti-aging performance of continuous light

連續(xù)光照長(zhǎng)時(shí)間老化試驗(yàn)，無(wú)論是氟碳面漆還是丙烯酸聚氨酯面漆的抗老化性能均有限，但是氟碳面漆明顯優(yōu)于丙烯酸聚氨酯涂層，試驗(yàn)結(jié)果與非連續(xù)光照結(jié)果一致。

試驗(yàn)過(guò)程記錄試片形貌如圖5，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)氟碳涂料涂層，表面有輕微的銹跡，無(wú)明顯銹斑出現(xiàn)，分散有極少數(shù)黑斑。而丙烯酸聚氨酯涂層，整體出現(xiàn)明顯銹斑且在其邊緣有密集型腐蝕黑斑，局部有起泡現(xiàn)象，部分面漆脫落。

圖5 連續(xù)光照試片1152 h后形貌Fig.5 Morphologies of fluorocarbon finish and acrylic polyurethane finish for 1152 h after continuous illumination

氟碳面漆涂層表現(xiàn)出優(yōu)良的耐候性與其化學(xué)鍵有著關(guān)系密切，其主鏈?zhǔn)歉吣艿腃-F鍵，由于原子F半徑極小，電負(fù)性較強(qiáng)，其鍵能高達(dá)485 kJ/mol，太陽(yáng)光紫外光區(qū)中只有很少部分能離解C-F鍵，而這部分短波紫外光經(jīng)過(guò)大氣層后只有很少一部分能到達(dá)地球表面，因此氟碳面漆作為面漆具有良好的抗紫外線能力。比較之下常用丙烯酸聚氨酯面漆不具備此類(lèi)主鏈結(jié)構(gòu)，如果不進(jìn)行特殊改性，其抗紫外線老化性能是有限的。因此，在紫外線比較強(qiáng)烈的區(qū)域，建議使用氟碳面漆作為保護(hù)層。

4 結(jié)論

本文選擇相同的材質(zhì)，進(jìn)行同樣的前處理，獲得粗糙度相差不大的試片表面，選擇“環(huán)氧底漆+氟碳面漆”與“環(huán)氧底漆+丙烯酸聚氨酯面漆”進(jìn)行涂裝并進(jìn)行耐腐蝕與老化試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)論如下：

（1）中性鹽霧試驗(yàn)表明，兩種涂裝體系獲得的漆膜耐腐蝕性差別不大，采用“環(huán)氧底漆+氟碳面漆”體系略?xún)?yōu)于“環(huán)氧底漆+丙烯酸聚氨酯面漆”體系。

（2）人工氣候老化試驗(yàn)表明，無(wú)論是連續(xù)輻照方式還是非連續(xù)輻照方式，氟碳涂料涂層明顯優(yōu)于丙烯酸聚氨酯涂層。人工氣候老化試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)非連續(xù)光照1464 h后氟碳涂層才逐漸出現(xiàn)失光與變色，經(jīng)過(guò)連續(xù)光照1152 h后，氟碳涂層表面有輕微的銹跡，但無(wú)明顯的銹斑出現(xiàn)，分散有極少數(shù)黑斑。在沿海、海島、化工園區(qū)與高海拔地區(qū)紫外線比較強(qiáng)烈的區(qū)域適合使用。