涂膜硬度的影响因素及测试注意事项

1.涂膜硬度原理

涂膜要能够满足实际应用需求，不仅要有很好的附着力和弹性，具有一定的硬度也是必要的。在涂料与涂装行业当中，硬度这项指标几乎是所有人都会关注的内容，但是对于硬度的准确定义却一直都是较为困难的。因为硬度的定义涉及材料的微小延展能力、高弹性模量、高耐性和内聚性以及对于磨损的耐受能力。开创硬度定义的是瑞士人，其将硬度定义为材料自身在某一点或者一段线上遭受力的作用而被破坏的准静态耐性。这个定义也意味着硬度与弹性有一定的兼容性，具有高弹性模量的涂膜一定具有较高的硬度，但弹性模量仅仅阐述了硬度的常规概念当中的一部分内容。

1822年腓特烈·莫斯（Frederick Mohs）公开发表了硬度的定义，并将硬度划分为10个等级，为此硬度被大众认知，人们称之为莫氏硬度。莫氏硬度的等级都可以对应适当的坚硬的材料。莫氏硬度对应表如表6—2所示。

表6—2　莫氏硬度与材料对应表

莫氏硬度很明确地展示了硬度是以对比参照为依据的，两个材料之间有机械应力作用时，更硬的材料不会受到破坏。但是莫氏硬度作为对比参照的材料当中，没有一项是有机聚合物材料，所以莫氏硬度在涂膜材料当中并不适用。因而国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）为涂膜的硬度做了定义，其描述的涂膜硬度主要衡量涂膜在遭受机械破坏时的耐性，该标准更加适合涂膜硬度表征，但其中涉及压力、摩擦、划伤的影响因素。测试的结果会随着应力的增加而变化，而应力的增加不仅增加了破坏力，还带来了可能的破坏因素，例如破裂。

2.涂膜硬度相关问题

1）硬度测试不良

对一些工件进行涂装的目的是通过涂膜来防护工件和基材，而能够防护基材不被破坏的重要指标就是涂膜的硬度。在对工件进行涂装设计的时候，基于工件上的使用需求，通常对涂膜的硬度设定限值，要求硬度能够达到一个指定标准，例如涂料当中常见的硬度指标是铅笔硬度，而最常规的硬度要求便是涂膜硬度在2H、H以上或者不划伤等。

（1）问题描述

在涂膜完全干燥之后，通过设定的标准要求，对涂膜进行硬度检测，例如用2H的铅笔，按照75 N的力推车对涂膜硬度进行检测，发现涂膜被划破，而涂膜指标要求是2H，也就是只允许涂膜在2H的硬度上被划伤，甚至不能划伤，如图6—41所示，在指定的压力和硬度下，漆膜被划伤判定为硬度不良。

图6—41　铅笔硬度测试图与测试样板图

（2）原因分析

涂膜的硬度决定于涂膜内部结构，第一涂膜当中成膜物质自身链段的硬度，以及分子链之间的交联密度，还有颜填料以及其他功能材料在成膜基料当中对于涂膜的支撑作用，都会影响涂膜的硬度。其中具体的原因以下几点。(www.xing528.com)

① 合成树脂的单体软链段过量，而硬链段不足，使得成膜大分子自身硬度不够。

② 固化剂添加量不足，或者干燥烘烤温度和时间不足，使得涂料在成膜的过程中，形成的交联网状结构的密度不够，造成硬度不足。

③ 颜料、填料的选择和使用上存在不足，不能构成对成膜大分子基料的填充和支撑，提升基料的硬度。

④ 硬度测试结果还与涂膜附着的基材有直接的关系，例如涂膜在玻璃上的硬度较涂膜在塑料板上的硬度会有极大差异，所以进行硬度测试的时候，需要明确测试基材与样板的一致性。

（3）解决方案

要综合解决涂膜硬度不良的问题，需要在涂料的配方合理设计的基础上，配合有效的施工和干燥工艺才能确保涂料的硬度符合要求。

① 在树脂的选择上，选择软硬适宜、交联基团含量合适的树脂，并且加入适量的交联树脂，以从涂料的基料角度确保涂膜最终能够达到的硬度。

② 合理配置颜填料以及功能材料的加入，以填补树脂自身存在的硬度不足和其他性能不足的问题。

③ 在固化剂的配制上需要选择合适的固化剂，同时稍许过量的固化剂有利于提升涂膜的硬度。

④ 涂料施工之后，干燥工艺中尤其是烘烤温度和时间需要能够达到树脂中物质间的反应所需。对于自干涂料，需要给予足够的养护时间，再进行硬度测试，才能真正地反映涂膜硬度是否存在不良。

⑤ 对涂料进行涂膜硬度测试的时候，需要根据指定的标准进行样板的明确选定，避免随意选用基材导致硬度测试不能符合实际应用需求，否则更容易造成硬度不良的误解和失误。