涂膜弹性要求：控制颜基比、保持防护性能

1.涂膜弹性原理

弹性是材料的基础机械性能之一，是反映材料受外力作用时的形变与受力情况之间的关系的重要性能。涂膜作为基材的防护和装饰材料，涂膜的弹性能否匹配基材以及应用时涂膜能否实现对基材在一定时间内具有防护和装饰作用的基础指标。为此，对于涂膜的弹性，一方面涂膜自身弹性数据是涂料设计当中必须侧重考虑的内容；另一方面，也是更重要的方面，就是要对涂膜附着于基材之后，能否表现出能够满足材料在使用过程中的弹性需求。因为涂膜将随着基材的受力情况而出现自身形变的同时，还需要确保涂膜与基材之间的黏结状态的保持。另外，基材自身的内应力变化和受热遇冷等问题会导致基材的形变，从而带来对涂膜弹性的更高要求。

涂膜（有机涂膜）从本质上讲，是有机聚合物将其他有机、无机物质黏结在一起形成的复合材料。对涂膜进行单独分析时，涂膜的相关性能与塑料的性能基本类似。其中涂膜的常规弹性变形如图6—34所示。

图6—34　涂膜可进行的各种机械形变

如图6—34所示，从理论上设计涂膜材料在自然状态下是一个长方体，当该涂膜长方体受到剪切、扭曲、弯曲、压缩、拉伸等应力时，会呈现出常规材料将会呈现的各种形变。

图6—35　拉伸和剪切形变

实际当中材料最为典型的受力是拉伸和剪切。涂膜作为基材表面的防护材料，也必将受到剪切和拉伸。涂膜在被拉伸和剪切时的表现，如图6—35所示，当材料受到力F的拉伸时，材料发生了伸长，材料的长度将会沿力的方向由l变成l+Δl。当材料受到力F的剪切时，材料将会沿力F的方向发生形变，整个材料由长方体变成了斜六面体，其中受力截面将沿力F方向倾斜γ角。

图6—36　黏弹性涂膜的应力应变曲线

当对涂膜进行剪切时，不同的剪切力涂膜会呈现出不同的应变状态，如图6—36所示。从黏弹性的涂膜的应力应变曲线可以看出，涂膜发生较小的应变如εA时，应力σ与应变ε的关系呈正比曲线变化；随后应变增大，应力的增长速度变缓，当涂膜应变达到一定数值εB时，应变持续增大而应力不变；甚至在随后的阶段当中随着应变的增大，应力有所减小；在应变达到εC时，应力降到最低值；而随着应变的持续增大，应力也将再次回升，如当应变达到εD时，对应的应力数值也达到了整条曲线的最高点。

图6—37　固定应变下热塑性和热固性涂膜应力随时间变化图

另外在材料使用过程中，维持一定的应变是不可避免的情况，因而对于材料进行保护的涂膜就必须能够与材料一起维持一定时间的应变，且保持一定的性能。而当涂膜维持一定应变ε时，涂膜性质不同将呈现出不同的应力时间曲线，如图6—37所示。热固性涂膜在维持一定应变ε时，随着时间的推移，涂膜展示的应力前期随时间推移而减小，最终趋近于一个固定应力，并具有一定的回弹性。而热塑性涂膜在维持一定应变ε时，涂膜展示的应力随时间的推移持续减小，最终趋近于完全失去应力，涂膜完全屈服于应变，不再具有回弹性。

2.涂膜弹性相关问题

1）抗冲击测试失败

涂料对于基材的防护，有一个很重要的要求就是当基材遭受冲击的时候，涂膜不能有爆裂、掉漆的现象。以使得涂膜能够在实际使用当中遭受撞击等破坏时依旧能够保持防护性能。常见的检测仪器是落球式涂膜冲击器，常规要求是该仪器测试的冲击高度为50 cm，正面冲击涂膜不会出现开裂、掉漆等现象。

（1）问题描述

涂料在成膜后，在指定基材上进行抗冲击试验，按照要求进行冲击试验，如果涂膜出现了开裂、局部掉漆等现象，或者冲击的高度达不到要求的高度，都属于抗冲击测试失败。如图6—38（a）、（b）、（d）所示的试验样板，都出现了裂纹甚至脱落。

（2）原因分析

抗冲击不能通过的原因多数是涂膜的韧性不够和附着力欠缺，其中涂膜韧性不够但附着力很好时，涂膜经冲击之后会呈现涂膜开裂，但不掉漆，甚至冲击之后用胶带粘黏都不能将涂膜粘掉的现象；而涂膜附着力不够时，经冲击试验后，通常会出现涂膜爆裂、掉漆，冲击部位涂膜脱落；有时冲击结果介于两者之间，属于综合性能上的耐冲击存在欠缺。而具体原因有如下两种。

① 涂料配方设计上存在一定缺陷，使得成膜之后，涂膜在韧性和附着力上存在一定的不足，如交联固化剂过量，所选择的树脂自身属于刚性脆性 结构。

② 涂装的干燥工艺不匹配，例如对于烘烤型涂料，烘烤过度时，涂膜会出现过交联，进而呈现出涂膜脆性以及综合性能下降的问题。

（3）解决方案

解决涂膜抗冲击性能不过关的问题，最根本的是在进行涂料配方设计时对于涂膜结构和成分的正确选择，同时对于干燥工艺上配合最佳的干燥温度和时间。

图6—38　涂膜冲击实验仪及冲击实例图

① 涂料配方当中的颜基比要控制在适当的范围之内，以确保树脂具有足够的包裹颜填料的能力，确保涂膜的韧性。

② 成膜基料树脂选择兼具韧性和硬度的树脂，同时固化剂的种类配比要合理，以确保成膜基料树脂的结构能够适应抗冲击性能。

③ 在合理设计树脂选型和配比以及颜基比的基础上，加入适量的增韧性树脂，提高涂膜的韧性，从而提高涂膜的抗冲击性能。

④ 对于后添加固化剂的涂料，施工时尽量避免固化剂的过量，干燥过程中要控制干燥的温度和时间，避免因为烘烤温度过高和时间过长出现过交联以及其他的老化现象，导致涂膜脆化，引起抗冲击问题。

2）弯曲测试失败(www.xing528.com)

在通过涂装对材料进行防护的情况下，在材料的加工工艺甚至是进行涂装之后，需要对材料进行弯曲加工。如卷钢、卷铝都是在涂料涂装之后，再对材料进行弯曲加工成型，而这些应用尤为注重涂膜的弯曲性能，甚至在卷钢行业当中会涉及0T ～ 5T等几个T弯等级的标准。

（1）问题描述

涂膜在指定的实验样板上，在干燥工艺条件下干燥养护之后，进行弯曲试验，发现涂膜在弯曲部位用胶带能够粘掉涂膜，则判定为涂膜的弯曲试验失败。弯曲试验测试仪器及测试样板如图6—39所示。

图6—39　涂膜弯曲测试仪及涂膜弯曲测试实例图

（2）原因分析

弯曲试验失败，涉及的原因有两个方面，一是涂料配方设计的韧性不足，涂膜的形变能力不够，在进行弯曲试验的时候，出现涂膜的开裂；另一方面的原因是涂料对于基材的附着力不够好，在涂膜随金属层一同弯曲时，由于形变拉伸使得涂膜脱离基材。

（3）解决方案

解决涂膜弯曲测试失败问题，常用的方法是在涂料配方当中添加中等分子量的能够增韧并同时提高涂膜与基材附着力的物质。例如对于钢铁或铝合金材料，可选择添加环氧磷酸酯类中等分子量的物质改善涂膜韧性和提升对于金属基材的附着力。

3）拉伸测试失败

涂膜拉伸测试是指对涂膜的耐形变能力的测试，也称为弹性的测试，主要是针对弹性涂料以及皮革涂料领域提出一些要求。但是涂料当中对于拉伸的测试侧重于测试涂膜的断裂伸长率。例如弹性涂料会要求涂膜的断裂伸长率达到100%等，如汽车皮革涂料当中就有明确的涂膜断裂伸长率的要求，甚至要求高达200%。

（1）问题描述

通常涂膜在指定基材上，按照指定要求养护干燥之后，进行断裂拉伸测试时，未能达到要求，已经出现了涂膜开裂和断裂的情况，我们称之为拉伸测试失败。

（2）原因分析

涂膜的抗拉伸性能，与涂膜当中的成膜物质的柔性有极大的关系，如果涂膜成膜物质当中的链段在测试温度下呈现出高弹态，就具有很好的拉伸性能；另外涂膜当中颜料与填料的添加量对于成膜物质的弹性有降低作用。因而涂膜的拉伸性能测试失败，原因是所选的成膜基料树脂及交联后的结构不具备足够的弹性，或者涂料配方当中颜填料含量过高，大大降低了成膜基料的弹性，使得涂膜容易出现拉伸断裂。

（3）解决方案

要提升涂膜的断裂伸长率，通常的办法是调整涂料配方当中的树脂成分，将弹性更好的树脂的含量提升（如Tg更低的弹性树脂含量提升），同时降低涂料当中的颜基比，尽量少用甚至不用填料成分，避免因为粉料的加入影响涂膜弹性。另外对于加入固化剂的弹性涂料，则需选择适当的添加比例以及选择耐性和韧性较好的固化剂，才能在保证涂膜弹性的同时，还能保证弹性涂料的其他耐性。

4）爆边

（1）问题描述

涂料在工件表面进行涂装施工和干燥之后，在划格或划线的时候，发现涂膜在划口处涂膜爆开，我们称之为爆边现象，如图6—40所示。例如轮毂色漆需要在涂膜干燥之后，对轮毂进行精加工，而精加工时会出现涂膜爆裂的情况。

图6—40　涂膜进行附着力测试时出现爆边实例图

涂膜在某一基材上薄涂附着力很好，但是随着膜厚的增加或者重涂次数的增加，对于厚度较高的涂膜进行附着力测试时，容易出现涂膜爆边现象，如图6—40所示，如果再对图示涂膜进行重涂或厚度增加，这种爆边现象还将加剧。

（2）原因分析

涂膜在划口处有爆开的现象，一方面是涂膜自身较脆，当刀口对涂膜进行划格的时候，如果刀口不是极为锋利，则会将涂膜划拉成爆裂状；另一方面，涂膜对于基材的附着力有限，当涂膜具有一定硬度的时候，划格就会出现涂膜从基材上脱落的情况，进而形成爆边。

（3）解决方案

爆边是由涂膜太脆或者附着力不佳的问题造成的，那么解决方案就可以从这两个方面着手。

① 在涂料配方设计的时候，增加涂料韧性，解决涂料过脆的问题，选择韧性更好的树脂，适当降低涂料的交联密度以及添加增韧性树脂都能够有效地解决涂膜太脆的问题。

② 如果涂膜对于基材的附着力不佳，那么需要通过涂料的配方设计或者基材前处理的调整，使得涂膜能够在基材上良好地附着，从而解决涂膜爆边的问题。