漆膜的柔韧性与其附着力、抗拉强度、耐冲击性等有密切关系, 由涂料的组成所决定, 并与检测时涂层变形时间与速度有关。由于涂覆于工件上的漆膜经常要受到使其变形的外力的作用, 例如外界温度剧烈变化所引起的工件热涨冷缩, 如果漆膜的附着力不够高, 漆膜将有可能从工件表面剥落。
因此, 漆膜的柔韧性是漆膜检测中十分重要的一项性能指标[ 1 ] 中国机械网okmao.com。
1 轴棒法测定漆膜柔韧性及其不足
目前, 漆膜的柔韧性检测普遍采用的是GB/ T1731- 93, 测试在柔韧性测定器上进行。柔韧性测定器由固定在底座上的7 个直径不同的钢制轴棒构成。测试时漆膜连同底材一起受力变形, 然后对漆膜的破裂伸长情况进行测定, 以其弯曲后不引起漆膜破坏的最小轴棒的直径表示漆膜的柔韧性[ 2] 。
该测试方法的最大优点是操作简单, 结果直观明了, 因此对涂料行业的生产与研究有十分重要的作用。这种测试方法也有其不足之处, 最主要的就是仪器较为简单、方法原始、评价结果不准确[ 3] 。若2 类涂层在某一轴棒上弯曲时都被破坏, 在相邻的直径稍大的轴棒上弯曲又都无破坏现象, 那么, 按照GB/ T 1731- 93, 这2 类涂层的柔韧性都用前一轴棒直径来表示。
例如, 笔者曾在实验室制备了2 种无机硅酸锌涂层A 和B, 经15 mm 轴棒弯曲后用4 倍放大镜就可明显观察到裂纹的存在, 因此这2 个涂层的柔韧性都将被表示为15 mm( GB/ T 1731- 93 的最大轴棒为15 mm) 。从图1 所示的显微照片中, 可以清楚地看出, 涂层B 的柔韧性要明显优于涂层A。因此, 轴棒法不能十分准确地区分出2 者的柔韧性的差别。
2 轴棒法测定漆膜柔韧性的改进
要更细致精确地评价漆膜的柔韧性, 最好的办法就是将评价标准量化。由于韧性较低的涂层轴棒弯曲后应力很大程度上得以释放, 故裂纹与裂纹之间的距离较远, 实际单位面积内的裂纹长度并不高, 但裂纹宽度较大。因此, 在对漆膜的柔韧性进行量化评价时, 除了考虑裂纹长度外, 还必须考虑裂纹宽度。
笔者采取了下述方法来评判涂层的柔韧性高低:按照GB/ T 1731- 93 对涂层柔韧性试样进行弯曲; 用50 倍的立体显微镜对试样的局部区域进行拍照; 用图象分析软件( imag e pro plus) 测量所得图象裂纹的面积; 用裂纹面积比( 即图象中的裂纹总面积与图象面积之比) 来表征涂层的柔韧性。
图2 和图3 分别是涂层A 与涂层B 按此种方法检测柔韧性的测试结果。其中, 涂层A 裂纹面积比为7. 45%, 而涂层B 为6. 25%。这样两涂层的柔韧性得以较为准确地比较。
图2 涂层A 裂纹面积比测试结果
图3 涂层B 裂纹面积比测试结果
在用测试裂纹面积比的方法评价涂层柔韧性时,要注意以下问题:
1) 由于用于测试的涂层图象是弯曲后的局部显微照片, 因此要尽可能选择最具代表性的区域进行拍照,并且各个试样要选择相同的部位以便于比较;
2) 在用图象分析软件测试裂纹面积时, 计算机自动标识的区域有时不能和裂纹完全吻合, 必要时可辅助手动调节选择边界以使2 者重合;
3) 由于一般软件识别裂纹的依据是颜色, 所以当涂层表面有黑色脏点或物体时, 计算机在自动识别时会将这些区域也算做裂纹。因此要通过软件的其他功能( 例如image- pro plus 的"特征"功能) 测试该区域面积, 计算其所占百分比并从最终的测试结果中扣除。
3 轴棒法在涂层柔韧性研究中的应用
由于其优异的防腐蚀性能和环保特性, 无机硅酸锌涂料作为一种钢铁重防腐涂料已成功应用于轮船、海上采油平台、码头、闸门、贮罐、管道、桥梁等领域[ 4- 11] 。涂层柔韧性较差等缺点也在很大程度上限制了使用。笔者利用上述改进后的轴棒法研究可再分散聚合物对无机硅酸锌涂层柔韧性的影响, 取得了较好的效果。
3. 1 试验材料
试验用锌粉( 北京矿冶研究总院生产的KFZn 系列超高活性锌粉, 粒度18 m, 纯度为99. 1%) ; 粘结剂为模数是4. 8 的水溶性硅酸钾溶液; 涂覆的基体材料为马口铁板, 尺寸规格为120 mm 25 mm 0. 25
mm; 选用的可再分散聚合物无毒、无味、低挥发, 平均粒度80 m。
3. 2 涂层的制备
将粘结剂、锌粉及可再分散聚合物按一定比例调配均匀后, 刷涂在马口铁基体表面。刷涂前, 马口铁基体表面经喷砂处理, 除锈等级为Sa2. 5 级。共刷涂3层, 涂层干膜厚度约为90~ 120 m。制备好的涂层在耐化学性检测前放置7 d 以上, 使涂层充分固化( 实干) 。实干后的涂层表面质量良好, 无裂纹出现。
3. 3 涂层柔韧性的检测
用轴棒法测定涂层柔韧性, 从测试结果发现, 在3层涂刷的情况下, 未添加可再分散聚合物的无机硅酸锌涂层的柔韧性大于5 mm, 而聚合物改性的无机硅酸锌涂层的柔韧性要明显优于此。即使是10 mm 甚至15 mm 轴棒弯曲的试样, 在用50 倍体式显微镜观察时, 也能发现明显的裂纹。
每种可再分散聚合物添加量的涂层取6 个试样,分别用10 mm 轴棒弯曲, 然后用50 倍体式显微镜观察涂层的破坏情况并拍照, 按上述改进后的柔韧性测定方法测试各试样的裂纹面积比并求其平均值, 则裂纹面积比和可再分散聚合物填加量的关系如图4 所示。从图4 中可以看出, 利用可再分散聚合物对无机硅酸锌涂层改性, 可有效提高其成膜后的柔韧性。
图4 聚合物填加量和裂纹面积比的关系
由于可再分散聚合在涂料中会自行扩散并最终与锌粉颗粒交联成膜, 聚合物膜与锌粉颗粒交织在一起,同时填充孔隙使涂层成为一个富有弹性的网络。由于高柔性和高弹性聚合物膜的存在, 为刚性的骨架提供了内聚性和动态行为。当施加作用力时, 由于柔性和弹性的改善会使微裂纹的形成延迟。
此外, 未完全分散开的团聚乳胶颗粒也对涂层有一定的增韧作用。图5 为加入可再分散聚合物的无机硅酸锌涂层经10 mm轴棒弯曲后的扫描电镜照片。从图5 中可以看到, 在裂纹扩展涂中遇到聚合物颗粒时, 很多裂纹的扩展被终止。根据延性颗粒增韧的相关理论, 其增韧机理可用以下机制解释[ 12] 。
图5 可再分散聚合物颗粒对裂纹扩展的阻止
1) 桥联机制: 聚合物颗粒拦截裂纹, 并在裂纹尾区塑性伸张, 这样既消耗了能量, 又使裂纹被桥联。由聚合物颗粒形成的延性裂纹桥联接裂纹的两个表面,并提供一个使两个裂纹面相互靠近的应力, 即闭合应力。因此, 应力强度因子随裂纹扩展而增大。
2) 区域屏蔽机制: 延性颗粒的塑性形变对宏观裂纹尖端的外加应力场形成屏蔽, 从而使复合材料的韧性得以提高。
4 改进后轴棒法在其它涂层中的应用
基体材料及其处理同前述无机硅酸锌涂层。分别涂刷高氯化聚氯乙烯防锈面漆( 保定金诺信化工涂料有限公司) 和醇酸防锈漆( 北京红狮涂料国际有限公司) , 涂层干膜厚度为70 ~ 80 m。利用轴棒法测定其柔韧性均为1 mm, 不能区分2 者柔韧性的优劣。采用改进后的轴棒法对2 者的柔韧性做进一步分析发现, 同样用1 mm 轴棒弯曲, 高氯化聚氯乙烯防锈面漆的裂纹面积比为7. 27%, 而红狮牌醇酸防锈漆只有0. 03%, 后者的柔韧性明显优于前者。图6 为2 种涂层经1 mm 轴棒弯曲后局部金相显微照片。
图6 经1mm 轴棒弯曲后局部金相显微照片
5 结论
由于具有操作简单, 结果直观明了的特点, 轴棒法是测定漆膜柔韧性最重要的方法之一。但该方法指标较为粗糙, 评价不够准确, 对柔韧性相近的漆膜也不能做到有效区分。利用柔韧性测定器对漆膜弯曲后测定其裂纹面积比, 可实现漆膜柔韧性较为精确的定量评价, 弥补了轴棒法测定漆膜柔韧性的不足。
轴棒法测定漆膜柔韧性的探讨
马峰1 , 陈华辉1 , 周倩2
( 1. 中国矿业大学( 北京) 材料科学与工程系, 北京100083;2. 国家知识产权局, 北京100088)