氟聚氨酯涂料加厚喷涂性能研究

2020-07-27

0 引言

氟聚氨酯涂料是市面上常用的高性能涂料种类,相比丙烯酸、聚氨酯等其他类型涂料,具备更高的耐腐蚀性和环境耐受性,广泛应用在工业及国防的各个领域。如重点市政工程、海上多种设施、桥梁、船舶、集装箱、火车、汽车、多种油管、油罐、输变电设备等,在化工、大气和海洋环境里溶剂型氟聚氨酯涂料一般可使用15 a 以上,在酸、碱、盐和有机溶剂介质里且有一定温度的腐蚀条件下,一般可使用5 a 以上。

常用的涂装技术包括刷涂、喷涂、静电喷涂、电泳法和粉末涂装等,其中最常用的是刷涂和喷涂,而工业生产中喷涂工艺由于其质量均匀、生产效率高等优势,得到广泛应用。

因为涂料的流动性,喷涂过程中,由于涂装工艺的局限性,不可能将涂膜厚度做到完全的均匀,对于厚度的控制实际是很脆弱的。一般来说,对于正常放置的物体,进行喷涂后,上面的涂料层厚度小于下方,阴角的厚度较厚,阳角的厚度较薄。经过估算和测量,最厚和最薄处,厚度差可以达到20 μm 以上。

不同的喷涂厚度对涂料性能的影响非常大,理论上说, 漆膜厚度与漆膜的三防性能有着直接的关系,特别是耐湿热性能,漆膜越厚,三防性能越好。但实际上并没有太多相关内容的测试结论,同时过于厚的涂层不但加大了重量,又容易出现板结和开裂,所以在现有的应用条件下, 如何使用最小的漆层厚度,达到最大的防护效果,是本研究的主要任务。

1 试验

1.1 试验件选用

为了最大限度地完成测试, 方便指导实际生产,本次采用试片的方式, 试片的材质为常用材质6061。为了消除试验过程中可能偶发的各类影响,选择AB两个厂家固定底漆加面漆对比测试,两种涂料分别进行大概60 μm120 μm180 μm 厚度的喷涂, 对比试验为GJB150 中关于湿热、酸性盐雾、酸性大气等军方要求的主要项目进行对比。

1.2 加厚喷涂工艺选用

本次测试的重点在于加厚涂料的喷涂,一般的涂料施工工艺采用的是一遍底漆、一遍面漆的喷涂方式, 这种方法在边缘和夹角可能造成涂料的堆叠,而厚漆的喷涂,更会增大公差的积累。

一般现场喷漆采用一遍底漆、一遍面漆,底漆和面漆喷涂方法类似,均是使用喷枪,每枪压上一枪1/21/3,先x 坐标喷涂一遍,再将喷枪方向旋转90°,y坐标轴喷涂一遍,这样喷完一面俗称“一道漆”,底漆一道、面漆一道后,完成喷涂。这种方法喷涂的涂料厚度一般在4080 μm 左右,也是正常的产品厚度,但局部边角超厚的厚度可能达到100 μm 左右。

加厚喷漆的方式有多种,其中可以加大喷涂时涂料的气压,压低喷枪,或者加大每一枪的压枪面积,以上方法均没有定量的控制方法,无法真正在后续的实际生产中进行应用,为了让本次的测试方案在后期有实用的价值,本次不打算采用特殊的喷涂方式,而是使用最普通最简单的工艺方法。所以本次采用加厚方式为:

2 倍厚度,使用2 道底漆和2 道面漆的喷涂工艺,其余工艺方法一致。

3 倍厚度,使用3 道底漆和3 道面漆的喷涂方法,其余工艺方法一致。

常规上,喷涂底漆表干后,可按“湿碰湿”的方式喷涂面漆,但如果使用2 倍和3 倍的厚度,面漆厚度大时,可能会压损还没有干透的底漆,所以底漆喷涂后,在70 ℃烘箱2 h 后,再喷涂面漆。

1.3 喷涂试片外观及厚度

完成喷涂后,3 个厚度的代表试片如图1 所示。

1 中可以看出,不同厚度的试片,从外观看没有任何的区别,但试片左边为了区分,从精雕刻字的情况看,随着厚度的增加,刻字越来越模糊,在3 倍的厚度下,基本上已经将刻字的内容完全覆盖。

3 种厚度的代表试片进行测试,每个厚度选取8 个试片,测试4 角及中心位置的厚度,结果见表1

为保证测试的准确性,喷涂由同一个操作人员独立完成,只按工艺方案的要求进行,没有进行具体工艺细节的强调。由于手工喷漆时,对于厚度的均匀性无法进行严格的掌控,可以看出,3 种厚度大致符合预估的60 μm120 μm180 μm 的波动范围分布。

按照单一试片来看,普通厚度不同位置之间的厚度差别在510 μm2 倍厚度不同位置之间的厚度差别在1020 μm3 倍厚度不同位置之间的厚度差别在2030 μm。喷涂同样的厚度,不同试片之间,也存在很大的差异,普通厚度,不同试片最大和最小值之间厚度差值50 μm,而2 倍和3 倍厚度,这个数值提升至100 μm

以上结论可以看出,在喷涂阶段,随着试片厚度的提升,所产生的厚度差也在不断加大,使用加厚喷涂产品, 首先需要面对涂料层厚度的均匀性问题,即使其对产品的实际使用没有明确的影响。

1.4 环境试验及结论

试片使用的环境试验参数为:

酸性盐雾:GJB150.11A-2009 中第7.2 条,24 h 喷雾和24 h 干燥为一个周期,2 个循环后取出测试,再进行4 个循环加严测试。

酸性大气:GJB150.28A2009,喷雾2 h,贮存7 d一个循环,2 个循环后取出测试,再进行4 个循环加严测试。

湿热:GJB150.9A-2009 中第7.3 条, 循环10 次,一次24 h,完成后取出测试,再进行10 个循环加严测试。

试验结束后, 依据GB9286 的方法对样片进行划格试验测试结合力,作为判定试片合格的依据。

1.4.1 酸性盐雾和酸性大气测试

酸性盐雾和酸性大气是海上及近海需要考虑的关键因素。试验采用的GJB150 中的相关试验条款,是国内一般设备的常规要求。

2 是厂家A 酸性盐雾2 个循环后,试片的结合力测试,从图中可以看出,不同厚度试片对于酸性盐雾的耐受程度没有明显的区别,按照国标要求测试结合力均为零级。

为了加强对比,在原有试验的结论下,继续进行4个循环的酸性盐雾和酸性大气试验,试验后进行测试。

3 是酸性盐雾加强试验后代表试片的测试结果。其中区域一是首次试验后测试结合力的区域; 区域二是加强试验后测试结合力的区域。按照GB 要求测试结合力,两次的测试结论均为零级。但在区域一中,一次测试后遗留的划格位置,出现鼓包等不良现象。

将区域二相关位置放大100 倍观察,见图4

放大后图片可以看出, 在第一次划格测试的位置,涂料层出现鼓包,进一步放大见图5

4 结合图5 中可以看到,鼓包是和原有破损的边界连接在一起的, 好似被塞进物体顶起漆层。图5中看到,顶起涂料层的是盐雾试验后遗留的盐分。

根据溶液流动的一般规律,总是从高浓度流向低浓度,直到两边浓度均匀。所以,在试验的过程中,涂料中某种成分和酸性盐雾是相似相容但浓度偏低,盐雾会按照溶液流动原理进行运动, 融入漆层内部,直到把漆层顶起鼓包。

综合以上试验结果及分析,一般正常厚度喷涂的氟聚氨酯涂料,在漆层完好的情况下,完全可以耐受普通酸性盐雾的影响,厚度的增加,对于现有酸性试验环境的耐受,并没有加强的效果,即无需采用加厚喷涂的工艺。但是一旦漆层上出现破损等不良情况,在酸性盐雾的环境下, 相关溶液会从破损位置浸入,造成表面出现各类严重问题。

使用加厚喷涂,唯一的优势在于,为了防止设备在使用的过程中出现破损,加厚喷涂增加了外表的防护,这样即使局部出现磕碰伤等状况,由于漆层较厚,也可以保障底下漆层延续的保护作用。当然,保护漆层的完整性, 也可以使用其他的方式进行表面防护,没有必要必须通过加厚漆层的方式达成。

酸性大气的试验数据和酸性盐雾情况一致,在此不再多述。厂家B 产品试验结果与厂家A 基本一致,在此也不再多做论述。

1.4.2 湿热测试

湿热是涂料使用过程中,对于涂料性能影响的第一因素,试验采用的GJB150 中的相关试验条款,也是国内一般设备的常规要求。

6 是厂家B 湿热试验后3 种试片的结合力测试结果,普通厚度的试片,测试结合力为0 级;2 倍厚度的试片,虽然结合力测试仍然表现良好,可以评定为0 级, 但在划痕的交接位置已经出现了轻微的缺陷, 已经可以看出轻微的漆层的碎裂;3 倍厚度下,湿热试验后出现了明显的掉块现象。

对于测试划痕位置放大进行观察。

7 中可以看出,底漆是绿色,面漆是白色,二者泾渭分明,在左图中,刀片划过后面漆和底漆基本呈现垂直掉落;中间图中,面漆掉落的区域已经大于底漆,呈现一个V 字型;右图中,面漆不但在线上出现更大的V 字型掉落,而且在交汇的位置出现了整个大面积掉块。

8 中可以看到底漆是黄色,面漆是灰色,如果涂料的结合力好,刀片划过后,虽然刀片本身是V 型,但面漆也应该同步按照V 型掉落,在左图(普通厚度)中,面漆的掉落已经有向两边发展的趋势;在中间图(2 倍厚度)中,面漆掉落范围更加扩展;而右图(3 倍厚度)中,面漆出现了大范围崩溃。

结合图7 和图8 可以看出,大部分脱落是发生在面漆上的,分析原因,之所以面漆脱落后剩下底漆,原因是底漆和面漆成分不同,本身结合力较差,在湿热环境的影响下,结合面受到影响,从而使得面漆大面漆脱落。

油漆脱落的原因可能由以下几个方面,(1)涂装预处理质量差;(2)漆膜烘烤时间、温度控制不当;(3)涂料附着力差;(4)漆层自然老化。可见本试验中漆层脱落明显是由于外界湿热的影响造成漆层的附着力不足。对比不同的厚度,可看到喷涂厚度越厚,湿热后面漆掉落越严重。从喷漆的工艺分析,本次使用的喷漆工艺,使用的是3 道底漆烘干后再进行3 道面漆的喷涂方法,根据实际的厚度测量,假定3 倍喷涂厚度为180 μm,这样一道漆层的厚度为30 μm。在涂料的喷涂工艺中, 涂料过厚对于挥发性的涂料来说,由于表层干燥快,溶剂会留在漆膜中,会引起漆膜起泡与底层的结合力下降,在干燥时,底层可能出现针孔疏松结构,而在烘箱加速干燥的条件下,表层涂料已经快速干燥,但下层的溶剂还没有挥发,这样内部的溶剂就被困在漆膜中间。所以漆层越厚,在外在湿热环境的影响下, 温度引起了内部溶剂加速挥发的趋势, 而湿度降低了面漆层对于这种趋势的抵抗力,内外部共同影响,造成涂层表面的软化。

针对其他的环境影响,例如酸性盐雾、酸性大气等试验过程,由于没有温度的加速影响,仅仅是外部的腐蚀,在表面完好的情况下,是无法影响氟聚氨酯材料的属性的。

2 结语

通过以上的试验及分析可以得到以下结论:

1)对比其他测试环境,湿热环境对于氟聚氨酯涂料的性能影响最为严重;

2)涂料层越厚,受到湿热影响越严重;

3)在涂层完好的情况下,酸性盐雾和酸性大气环境对于氟聚氨酯涂料影响有限; 涂层存在破损时,酸性盐雾会从破损位置侵入。

综上所述,加厚涂层并不能加强对于湿热及酸性环境的耐受度,反而造成总量及成本的增加。只要保证表面的牢固度, 采用普通工艺的氟聚氨酯涂料,是可以满足湿热及酸性的基本环境要求。

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