表面結(jié)構(gòu)是如何從基材到面漆發(fā)生演變的
粗糙度模型
Michael Osterhold,自由顧問
涂層表面的視覺效果受到其表面結(jié)構(gòu)(流平、波紋和橘皮等)的影響。汽車和涂料行業(yè)使用兩種不同測量方法。本文對這些方法進行了比較,并討論了每道涂層對表面結(jié)構(gòu)的影響。
除了顏色、隨角異色效應(yīng)和光澤以外,涂層表面的視覺效果特別會受到其表面結(jié)構(gòu)(流平、波紋、橘皮和外觀)的影響。為表征表面的結(jié)構(gòu),汽車和涂料行業(yè)已建立了兩種不同的測量方法—輪廓儀法和波長掃描儀法。
本文介紹了采用機械式輪廓儀結(jié)合傅里葉技術(shù)(FFT快速傅里葉轉(zhuǎn)換)可以獲得關(guān)于表面形態(tài)的詳細(xì)信息,同時也可獲得基材或其他因素對最終涂層外觀的影響[1-18] 。為模擬通過表面結(jié)構(gòu)的光學(xué)檢測而獲得的視覺效果,德國BYK-Gardner公司開發(fā)了波長掃描儀。
除了對高光表面(包括面漆/清漆)進行測量外,雙模式波長掃描儀(wave-scan dual)還可測量中等光澤的表面外觀,例如底漆+中涂體系,甚至有時還可測量電泳漆。采用輪廓儀和波紋掃描技術(shù)研究了涂料在金屬和塑料基材上的應(yīng)用,經(jīng)過一段時間的試驗,總結(jié)了基本關(guān)系和相關(guān)應(yīng)用實例。
機械式表面表征的范圍
采用機械式輪廓儀“Hommeltester T 8000”(Hommel- Etamic,德國),測量表面輪廓。所有測量都使用了一種雙滑移跟蹤系統(tǒng)或者是一種金剛石尖頭半徑為5 μm的所謂基準(zhǔn)系統(tǒng)(無滑移塊)。該機械式輪廓儀的垂直分辨率約為0.01 μm。可記錄48 mm或15 mm掃描長度內(nèi)的表明輪廓。在48 mm長的掃描區(qū)中可截出8 mm的波長來區(qū)分粗糙度和波紋輪廓。
根據(jù)典型的粗糙度參數(shù)(即平均粗糙度Ra)對機械式輪廓儀的測量結(jié)果進行評估,提供了關(guān)于表面結(jié)構(gòu)的綜合信息。與粗糙度參數(shù)相比較, 采用傅里葉技術(shù)(FFT)可獲得有關(guān)表面結(jié)構(gòu)更詳細(xì)的特征。
針對1~10mm的波長(積分1,長波)和0.1~1mm(積分2,短波)的波長范圍,自功率波譜的強度可進行加合,用于表面結(jié)構(gòu)的進一步評估[14] 。
圖1顯示了從底材到面漆的典型表面形貌的擬三維圖。,用一個精確定位臺在兩個直線掃描之間小距離移動樣本。一般來說,每涂一道涂層就可以觀察到波幅的降低和波長的變化。
光學(xué)表面表征
用雙模式波長掃描儀(wave-scan dual)或更早的儀器鮮映度波長掃描儀(wave-scanDOI)對涂層結(jié)構(gòu)進行光學(xué)測量。在該過程中,測量原理基于對由樣本表面結(jié)構(gòu)對小型激光二極管產(chǎn)生的反射光的調(diào)整。激光照射道表面的入射角為60°,在鏡面反射角處(在垂直線的另一面,角度為60°)檢測反射光。
在測量過程中,儀器沿樣品表面約10 cm的長度內(nèi)移動掃描。信號被分為5個0.1~30 mm波長范圍,并經(jīng)過數(shù)學(xué)濾波處理。對這5個波長范圍中的任意一個都可以計算得到一個特征值(Wa0.1~0.3 mm,Wb0.3~1.0 mm,Wc1.0~3.0 mm,Wd3.0~10 mm,We10~30 mm)以及典型的儀器值長波(LW,約1~10 mm)和短波(SW,約0.3~1 mm)。
數(shù)值低表明表面結(jié)構(gòu)平滑。此外還安裝一個LED光源,使其通過一個光圈以20°入射角照射表面。檢測散射光,并測量所謂的消光值(du<0.1mm)。對低光澤區(qū)域可轉(zhuǎn)換成IR-SLED,這樣就可以測量具有中等光澤表面的樣品。
涂料施工和固化對金屬的影響
以早期在鋼材基材[10] 的研究為例,其中對具有不同粗糙度的3 種不同磷化處理的鋼材表面進行了評估。選擇樣本時考慮從光滑到粗糙 (Ra 0.8 到2.3 μm)的汽車車身板基材,一般使用平均粗糙度為Ra= 0.8 μm(光滑)和Ra =1.6 μm(中,上限)的鋼板做樣板。
所有樣板均涂覆陰極電泳涂料、中涂和汽車面漆,一般膜厚。一組樣板按水平放置烘烤,另一組垂直放置烘烤。
如圖2所示,綜合值的增加與基材表面的粗糙度和烘烤位置有關(guān)。垂直放置烘烤,可觀察到長波值大幅提高,與水平放置烘烤的樣品相比,短波值幾乎沒有增加。短波值主要取決于基材條件(即粗糙度),基本不受烘烤時放置位置的影響。
使金屬基材面漆與塑料面漆匹配
研究塑料涂料具有特殊意義,可以獲得在獨立涂裝不同汽車部件基材表面(鋼材或塑料)時,獲得相似結(jié)構(gòu)外觀。基于此,近來影響塑料部件表面的參數(shù)已變得越加重要。
采用典型的塑料涂料體系,涂覆不同玻璃纖維含量的聚合物基材。使用輪廓儀和波長掃描儀測量整個涂層體系[12] 。光學(xué)測量和機械測量(Ra)都顯示相同趨勢:玻璃纖維含量越高,所測得的結(jié)構(gòu)值越大。除了玻璃纖維含量的影響外,在另一項研究中,還觀察到與所采用玻璃纖維的類型有關(guān)[13] 。
圖3顯示了這種影響,同時展示了兩種高、低表面結(jié)構(gòu)基材的對比。結(jié)構(gòu)的波幅降低了,但基材的基本結(jié)構(gòu)會部分轉(zhuǎn)移到每一道涂層上,并最終影響面漆外觀。
這些結(jié)果非常重要,因為基材結(jié)構(gòu)明顯地影響最終涂層結(jié)構(gòu)。根據(jù)表面結(jié)構(gòu)測量結(jié)果,可進行塑料基材的初步選擇,從而獲得適應(yīng)涂層體系的最佳結(jié)構(gòu)(光滑度)[15] 。
中等光澤表面:基材的變化
為了考察涂層的變化(陰極電泳漆、底漆和中途)和基材形態(tài)對不同涂層的影響,做了幾組試驗進行測量。這些研究細(xì)節(jié)見參考文獻[18] 。以下只匯總了不同鋼材基材上的研究及主要結(jié)果。
所研究的28種基材中的大部分都常用于汽車行業(yè)的車身外部件(Ra:0.9-1.5μm,峰值數(shù)目RPC>60個/cm)。圖4中,通過4個樣板,展示了基材和相應(yīng)的EC表面輪廓曲線。
基材1-3的Ra值的粗糙度范圍為0.9-1.5 μm,峰值數(shù)目60~75 個/cm。基材4顯示良好的Ra值0.8 μm,但峰值數(shù)目非常少(12 個/cm)。
因為峰值數(shù)目少,所以要對該基材進行涂裝很困難,不能用于汽車車身外殼。
電泳漆施工和逐道涂層的涂裝工藝都采用相同的材料,涂裝環(huán)境也相同。
使用雙模式波長掃描儀可以很容易對電泳漆進行測量(圖5),圖6展示在4種基材樣板上電泳漆和面漆的結(jié)構(gòu)差不多(圖6)。從整個樣板組來看,基材和電泳漆結(jié)構(gòu)輪廓結(jié)構(gòu)測量值之間的線性相關(guān)系數(shù)為r≈0.9(長波范圍)(積分1),r≈0.7(短波范圍)(積分 2)。在水平施工時EC和清漆結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)系數(shù)是0.8[18] 。
更多情況的總結(jié)
關(guān)于板材類型、基材粗糙度、變形情況以及涂料體系對涂膜外觀影響的進一步研究結(jié)果的匯總參見參考文獻[15] 。關(guān)于低光澤涂料體系(電泳漆和中涂)變化的更多研究見參考文獻[18] 。底材的成型及深拉工藝導(dǎo)致金屬基材波紋增多的影響參見參考文獻[19] 。
在研究涂層表面結(jié)構(gòu)的形成機理時,一定要考慮液體涂料的流動性會受黏度、表面張力以及其它參數(shù)的影響。為了解涂膜外觀的成因,對特性物理參數(shù)和工藝參數(shù)之間的關(guān)系進行了建模和模擬[20-22] 。
機械式輪廓儀可應(yīng)用于所有基材和涂層。雙模式波長掃描儀的使用受消光度和獨特表面結(jié)構(gòu)的限制。如果將基材表面結(jié)構(gòu)與涂層材料的自身結(jié)構(gòu)相結(jié)合為常見形式,那么就可以對電泳漆進行光學(xué)研究。一般來說,對底漆和中涂的測量不會受這種限制。
致 謝
本論文在英國伯明翰ETCC 2016歐洲涂料技術(shù)大會上發(fā)表。
參考文獻
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“只有連續(xù)進行測量,才能確保獲得優(yōu)異穩(wěn)定的外觀。”
Michael Osterhold博士,
獨立顧問,
向Michael Osterhold提出3個問題
為什么基材和涂層的表面表征如此重要?
由于過去目視檢查中有時會出現(xiàn)再現(xiàn)性較差的情況,所以開發(fā)了波長掃描儀,在評估涂層表面結(jié)構(gòu)時可獲得定量的數(shù)據(jù)。目前,汽車和涂料制造商的質(zhì)量保證過程越來越多地依賴于這種省時的檢測方法。可以通過輪廓儀描述表面形態(tài)的細(xì)節(jié)。
如果不對表面形態(tài)進行表征會造成什么后果?
在涂裝過程中只有連續(xù)地進行測量,才能確保獲得優(yōu)異穩(wěn)定的外觀。否則就無法檢測到因意外的工藝變化或產(chǎn)品質(zhì)量的意外變化導(dǎo)致的影響。其他因素,例如基材形態(tài),對最終涂層外觀的影響將不得而知,最終導(dǎo)致難以控制甚至無法控制這種影響。
您推薦哪種方法?為什么?
采用輪廓儀方法可以檢測到從基材到面漆的表面結(jié)構(gòu),在過去主要用于實驗室的基礎(chǔ)研究(例如:基材對面漆外觀的影響)。另一方面,波長掃描儀可以用在日常工作中,也可在生產(chǎn)條件下實現(xiàn)對涂層結(jié)構(gòu)方便、快速的評估。
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