基板表面特性對彩涂板涂層附著力的影響

溫乃盟

（寶山鋼鐵股份有限公司 研究院，上海201900）

彩涂板是指通過連續(xù)生產(chǎn)機組，以鍍鋅板（GI、EG）、鍍鋁鋅板（GL）或者冷軋板（CR）等為基板，對基板表面進行預(yù)處理后涂覆一定厚度有機涂層所獲得的一種預(yù)涂層鋼板［1］。彩涂板具有優(yōu)異的耐蝕性與良好的裝飾性［2］，可以簡化用戶生產(chǎn)工序、降低加工成本，具有使用安裝方便快捷的特點，廣泛應(yīng)用于建筑、辦公、家電等領(lǐng)域［3］。涂層附著力是評價彩涂板質(zhì)量好壞的一個重要技術(shù)指標(biāo)，無論在哪種領(lǐng)域的應(yīng)用，均要求彩涂板具有良好的涂層附著力［4］。

影響涂層附著力的因素很多［5-10］。歸納起來，主要有涂料性能、基板表面預(yù)處理工藝、涂層固化工藝、基板的表面粗糙度等。實際生產(chǎn)與研究發(fā)現(xiàn)，除上述因素外，基板的表面特性對彩涂板的涂層附著力亦有明顯的影響。本工作根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)實績統(tǒng)計，確定了涂層附著力劣化與基板類別和來源之間的關(guān)聯(lián)，通過電化學(xué)測試以及GDS（輝光光譜）對相關(guān)基板進行了表面特性分析，研究了基板表面特性對涂層附著力的影響。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料為彩涂生產(chǎn)的基板，為不同生產(chǎn)線生產(chǎn)的熱鍍鋅GI板或者熱鍍鋁鋅GL板。實際生產(chǎn)中，以這些材料（規(guī)格0.5mm×1 000mm×C）為基板在同一彩涂機組、采用相同的生產(chǎn)工藝（包括表面預(yù)處理，涂料及涂層固化工藝）生產(chǎn)同一品種的彩涂板時，它們的涂層附著力相差很大。

1.2 涂層附著力表征

對以上述基板生產(chǎn)的彩涂板進行T彎性能檢測，以T彎值為評價彩涂板涂層附著力的指標(biāo)，評價標(biāo)準為：T彎值≤3為合格，T彎值≥4為不合格。

1.3 表面活性分析

將基板剪切成30mm×30mm的片狀試樣，用丙酮對其表面進行脫脂處理，采用電化學(xué)系統(tǒng)測試其在實際預(yù)處理劑中的電位-時間曲線，以此評估基板在預(yù)處理劑中的表面電化學(xué)活性，通常情況下電位越高則說明表面活性越低，反之則越高。

1.4 表面成分分析

采用GDS分析基板表面的成分深度分布，以探討基板表面電化學(xué)活性差異原因。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同基板彩涂板涂層附著力情況統(tǒng)計

以不同產(chǎn)線生產(chǎn)的熱鍍鋅GI板、熱鍍鋁鋅GL板為基板進行彩涂生產(chǎn)。連續(xù)跟蹤、分析了933卷（每卷重約20～30t）不同基板彩涂板產(chǎn)品的涂層附著力，其中白灰色涂料的成品508卷，涂層附著力不合格率為12.6%；海藍色涂料的成品425卷，涂層附著力全部合格，即涂層附著力不合格的情況主要發(fā)生在白灰色涂料產(chǎn)品上，而海籃色涂料產(chǎn)品則不論哪種基板都沒有出現(xiàn)涂層附著力不合格的情況。這說明涂料顏色（涂料種類）對彩涂板涂層附著力影響很大。

白灰色涂料的508卷成品按照所用的基板材料進行進一步細分，結(jié)果如表1所示。

表1 白灰色彩涂板涂層附著力統(tǒng)計分析結(jié)果（按基板來源分）Tab.1 Statistical results of adhesion for white and gray coated plate coating（divided by baseplate）

由表1可見，以GL板為基板的彩涂板涂層附著力全部合格。實際生產(chǎn)實績也證明，以GL板為基板的彩涂板涂層附著力都是合格的。以GI板為基板的彩涂板產(chǎn)品中，本廠B線與外廠1線的GI基板的涂層附著力尚可（不合格率極低），外廠2線GI基板的涂層附著力不合格率高達24.5%。因此，在跟蹤的這批彩涂板中，涂層附著力不合格情況主要集中在外廠2線GI基板的產(chǎn)品上。

經(jīng)分析，外廠2線GI板的鍍鋅層厚度、鍍層成分等質(zhì)量因素與本廠B線、外廠1線的都是相當(dāng)?shù)摹２释堪逋繉痈街w現(xiàn)的是有機涂料／基板表面間的界面結(jié)合情況，在相同涂料和相同生產(chǎn)工藝（表面預(yù)處理及涂層固化工藝）的情況下，涂層附著力出現(xiàn)部分不合格的波動，說明這些基板的表面特性可能存在差異，從而對涂層附著力產(chǎn)生一定影響。

為進一步調(diào)查涂層附著力波動的原因，實際生產(chǎn)中對涂料的品牌（即涂料生產(chǎn)商）、表面預(yù)處理工藝（即預(yù)處理劑種類）進行了交叉更換，結(jié)果仍然顯示：涂層附著力不合格的情況主要發(fā)生在白灰色涂料產(chǎn)品上，并且也主要集中在外廠2線GI基板的產(chǎn)品上。這進一步證明基板的表面特性狀態(tài)是影響涂層附著力的主要因素。此外，進一步的調(diào)查結(jié)果顯示：這批彩涂板涂層附著力波動與基板表面粗糙度沒有相關(guān)性。

2.2 不同基板表面特性分析

測量了表1中4種彩涂基板在兩種預(yù)處理劑（均為所研究彩涂線用的處理劑）中的表面電化學(xué)活性（電位-時間曲線），結(jié)果見圖1。

圖1 各種基板在兩種預(yù)處理劑中的電位-時間曲線Fig.1 Potential curves of substrates measured in pretreatment agent solution A（a）and B（b）

由圖1可見，在試驗的兩種預(yù)處理劑中，本廠A線GL板的電位最低，即本廠A線GL板在這兩種預(yù)處理劑中的表面電化學(xué)活性最高；而外廠2線GI板則電位最高，即表面電化學(xué)活性最低。另外兩種GI板的電化學(xué)活性很接近，它們均高于外廠2線GI板，但低于本廠A線GL板。

采用GDS對各種基板進行表面成分分析（結(jié)果如圖2）。由圖2可見，外廠2線GI板表面的鋁含量最低，外廠1線GI與本廠B線GI板均在表面存在明顯的鋁富集現(xiàn)象，富集區(qū)域鋁含量明顯高于外廠2線GI板。本廠A線GL板是熱鍍鋁鋅板，其表面鋁含量（質(zhì)量分數(shù)，下同）更是高達55%。由此確定，導(dǎo)致不同基板表面電化學(xué)活性差異的原因與鍍層表面鋁成分差異有關(guān)。

圖2 不同基板表面鋁含量GDS深度分布Fig.2 Distribution of Al content in substrate surface（by GDS）

上述外廠2線GI板生產(chǎn)工藝上采用了濕平整工藝。為進一步研究該GI板，將外廠2線生產(chǎn)的未經(jīng)平整的GI板以及同時生產(chǎn)的濕平整的GI板進行了對比試驗。即在同一彩涂線上采用相同工藝生產(chǎn)相同品種的彩涂板，同時對這兩種GI板進行表面成分分析和表面電化學(xué)活性分析，結(jié)果見圖3。結(jié)果表明：未平整GI板的彩涂板涂層T彎性能合格，而經(jīng)過平整的則不合格；未平整GI板表面亦存在明顯的鋁富集，富集區(qū)域鋁含量明顯高于平整GI板，即未平整GI板的表面活性高于平整GI板。該結(jié)果再次說明了基板表面特性與相應(yīng)彩涂板涂層附著力之間具有對應(yīng)關(guān)系。

2.3 彩涂板涂層附著力波動原因分析

所研究的彩涂生產(chǎn)線采用的預(yù)處理工藝為輥涂工藝，即基板帶鋼經(jīng)過脫脂除油處理后，采用輥涂機將預(yù)處理劑均勻涂覆于表面，并加熱帶鋼使預(yù)處理劑干燥、成膜，隨后即可以進行有機涂料的涂覆。因此可以認為，對于該預(yù)處理工藝的彩涂板生產(chǎn)，基板的表面活性會影響預(yù)處理劑與基板的反應(yīng)，即影響所形成的預(yù)處理膜與基板的結(jié)合情況，從而影響彩涂板有機涂層與基板的附著力。而對于不同產(chǎn)線生產(chǎn)的不同批次GI板，由于熱鍍鋅生產(chǎn)工藝存在差異或者波動，導(dǎo)致GI板表面鋁含量以及表面電化學(xué)活性等表面特性存在差異，因而導(dǎo)致以其為基板的彩涂板涂層附著力存在差異。

圖3 未平整與平整GI板的表面鋁含量與表面活性Fig.3 Al content（a）and electrochemical activity（b）of GI surface（skin-passed and non）

因此不難分析，上述試驗中本廠A線GL板由于在兩種預(yù)處理劑中的電化學(xué)活性都很高，其與預(yù)處理劑具有很好的化學(xué)反應(yīng)，可以獲得良好的預(yù)處理膜，因而實際生產(chǎn)中以GL為基板的彩涂板涂層附著力都是合格的。對于外廠2線的平整GI板，則由于濕平整工藝的原因，使得其在兩種預(yù)處理劑中的電化學(xué)活性都很低，即與預(yù)處理劑的反應(yīng)性差，不能獲得良好的預(yù)處理膜。因而以外廠2線平整GI板為基板的彩涂板涂層附著力差且波動大。而同樣是“外廠2線”生產(chǎn)的GI板，如果不進行平整處理，則由于其表面鋁存在富集，表面電化學(xué)活性高，因而相應(yīng)的彩涂板涂層附著力也是合格的。

為進一步驗證基板表面特性（表面鋁成分、表面電化學(xué)活性）與彩涂板涂層附著力之間的對應(yīng)關(guān)系，對另一來源（外廠3線生產(chǎn)的不同批次）的GI基板彩涂板生產(chǎn)的情況進行了跟蹤與分析。結(jié)果顯示：以批次1的GI板（這里記為“外廠3線GI-1”）為基板的白灰色彩涂板涂層附著力均為合格；而批次2的GI板（這里記為“外廠3線GI-2”）在同樣條件下生產(chǎn)的彩涂板涂層附著力均不合格。進一步的表面特性分析結(jié)果（如圖4）顯示：外廠3線GI-1的表面鋁富集明顯、表面電化學(xué)活性亦高；外廠3線GI-2的情況則相反，表面不存在鋁富集，電化學(xué)活性低。

圖4 其他來源GI板的表面鋁含量與表面活性Fig.4 Al content and electrochemical activity of GI surface（another source）（a）Al content distribution （b）electrochemical activity

3 結(jié)束語

影響彩涂板涂層附著力的一般性因素有涂料種類與性能、基板表面預(yù)處理工藝、涂層固化工藝以及基板的表面粗糙度，除此之外，基板表面活性對涂層附著力具有明顯的影響。基板表面活性與鍍層表面鋁元素富集相關(guān)，表面鋁含量越高，則表面活性越高，彩涂板涂層附著力就越好；相反則表面活性越低，彩涂板涂層附著力就越差。而鍍層表面鋁含量則與熱鍍鋅生產(chǎn)工藝狀況密切相關(guān)，不同產(chǎn)線或者不同生產(chǎn)工藝狀況均會導(dǎo)致鍍層表面特性差異。

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