粗糙度模型

　　Michael Osterhold，自由顧問

　　涂層表面的視覺效果受到其表面結(jié)構(gòu)(流平、波紋和橘皮等)的影響。汽車和涂料行業(yè)使用兩種不同測量方法。本文對這些方法進(jìn)行了比較，并討論了每道涂層對表面結(jié)構(gòu)的影響。

　　除了顏色、隨角異色效應(yīng)和光澤以外，涂層表面的視覺效果特別會(huì)受到其表面結(jié)構(gòu)(流平、波紋、橘皮和外觀)的影響。為表征表面的結(jié)構(gòu)，汽車和涂料行業(yè)已建立了兩種不同的測量方法—輪廓儀法和波長掃描儀法。

　　本文介紹了采用機(jī)械式輪廓儀結(jié)合傅里葉技術(shù)(FFT快速傅里葉轉(zhuǎn)換)可以獲得關(guān)于表面形態(tài)的詳細(xì)信息，同時(shí)也可獲得基材或其他因素對最終涂層外觀的影響^[1-18] 。為模擬通過表面結(jié)構(gòu)的光學(xué)檢測而獲得的視覺效果，德國BYK-Gardner公司開發(fā)了波長掃描儀。

　　除了對高光表面(包括面漆/清漆)進(jìn)行測量外，雙模式波長掃描儀(wave-scan dual)還可測量中等光澤的表面外觀，例如底漆+中涂體系，甚至有時(shí)還可測量電泳漆。采用輪廓儀和波紋掃描技術(shù)研究了涂料在金屬和塑料基材上的應(yīng)用，經(jīng)過一段時(shí)間的試驗(yàn)，總結(jié)了基本關(guān)系和相關(guān)應(yīng)用實(shí)例。

　　機(jī)械式表面表征的范圍

　　采用機(jī)械式輪廓儀“Hommeltester T 8000”(Hommel- Etamic，德國)，測量表面輪廓。所有測量都使用了一種雙滑移跟蹤系統(tǒng)或者是一種金剛石尖頭半徑為5 μm的所謂基準(zhǔn)系統(tǒng)(無滑移塊)。該機(jī)械式輪廓儀的垂直分辨率約為0.01 μm。可記錄48 mm或15 mm掃描長度內(nèi)的表明輪廓。在48 mm長的掃描區(qū)中可截出8 mm的波長來區(qū)分粗糙度和波紋輪廓。

　　根據(jù)典型的粗糙度參數(shù)(即平均粗糙度Ra)對機(jī)械式輪廓儀的測量結(jié)果進(jìn)行評估，提供了關(guān)于表面結(jié)構(gòu)的綜合信息。與粗糙度參數(shù)相比較， 采用傅里葉技術(shù)(FFT)可獲得有關(guān)表面結(jié)構(gòu)更詳細(xì)的特征。

　　針對1～10mm的波長(積分1，長波)和0.1～1mm(積分2，短波)的波長范圍，自功率波譜的強(qiáng)度可進(jìn)行加合，用于表面結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步評估^[14] 。

　　圖1顯示了從底材到面漆的典型表面形貌的擬三維圖。，用一個(gè)精確定位臺在兩個(gè)直線掃描之間小距離移動(dòng)樣本。一般來說，每涂一道涂層就可以觀察到波幅的降低和波長的變化。

　　光學(xué)表面表征

　　用雙模式波長掃描儀(wave-scan dual)或更早的儀器鮮映度波長掃描儀(wave-scanDOI)對涂層結(jié)構(gòu)進(jìn)行光學(xué)測量。在該過程中，測量原理基于對由樣本表面結(jié)構(gòu)對小型激光二極管產(chǎn)生的反射光的調(diào)整。激光照射道表面的入射角為60°，在鏡面反射角處(在垂直線的另一面，角度為60°)檢測反射光。

　　在測量過程中，儀器沿樣品表面約10 cm的長度內(nèi)移動(dòng)掃描。信號被分為5個(gè)0.1～30 mm波長范圍，并經(jīng)過數(shù)學(xué)濾波處理。對這5個(gè)波長范圍中的任意一個(gè)都可以計(jì)算得到一個(gè)特征值(Wa0.1～0.3 mm，Wb0.3～1.0 mm，Wc1.0～3.0 mm，Wd3.0～10 mm，We10～30 mm)以及典型的儀器值長波(LW，約1～10 mm)和短波(SW，約0.3～1 mm)。

　　數(shù)值低表明表面結(jié)構(gòu)平滑。此外還安裝一個(gè)LED光源，使其通過一個(gè)光圈以20°入射角照射表面。檢測散射光，并測量所謂的消光值(du<0.1mm)。對低光澤區(qū)域可轉(zhuǎn)換成IR-SLED，這樣就可以測量具有中等光澤表面的樣品。

　　涂料施工和固化對金屬的影響

　　以早期在鋼材基材[10] 的研究為例，其中對具有不同粗糙度的3 種不同磷化處理的鋼材表面進(jìn)行了評估。選擇樣本時(shí)考慮從光滑到粗糙 (Ra 0.8 到2.3 μm)的汽車車身板基材，一般使用平均粗糙度為Ra= 0.8 μm(光滑)和Ra =1.6 μm(中，上限)的鋼板做樣板。

　　所有樣板均涂覆陰極電泳涂料、中涂和汽車面漆，一般膜厚。一組樣板按水平放置烘烤，另一組垂直放置烘烤。

　　如圖2所示，綜合值的增加與基材表面的粗糙度和烘烤位置有關(guān)。垂直放置烘烤，可觀察到長波值大幅提高，與水平放置烘烤的樣品相比，短波值幾乎沒有增加。短波值主要取決于基材條件(即粗糙度)，基本不受烘烤時(shí)放置位置的影響。

　　使金屬基材面漆與塑料面漆匹配

　　研究塑料涂料具有特殊意義，可以獲得在獨(dú)立涂裝不同汽車部件基材表面(鋼材或塑料)時(shí)，獲得相似結(jié)構(gòu)外觀?；诖?，近來影響塑料部件表面的參數(shù)已變得越加重要。

　　采用典型的塑料涂料體系，涂覆不同玻璃纖維含量的聚合物基材。使用輪廓儀和波長掃描儀測量整個(gè)涂層體系^[12] 。光學(xué)測量和機(jī)械測量(Ra)都顯示相同趨勢：玻璃纖維含量越高，所測得的結(jié)構(gòu)值越大。除了玻璃纖維含量的影響外，在另一項(xiàng)研究中，還觀察到與所采用玻璃纖維的類型有關(guān)^[13] 。

　　圖3顯示了這種影響，同時(shí)展示了兩種高、低表面結(jié)構(gòu)基材的對比。結(jié)構(gòu)的波幅降低了，但基材的基本結(jié)構(gòu)會(huì)部分轉(zhuǎn)移到每一道涂層上，并最終影響面漆外觀。

　　這些結(jié)果非常重要，因?yàn)榛慕Y(jié)構(gòu)明顯地影響最終涂層結(jié)構(gòu)。根據(jù)表面結(jié)構(gòu)測量結(jié)果，可進(jìn)行塑料基材的初步選擇，從而獲得適應(yīng)涂層體系的最佳結(jié)構(gòu)(光滑度)^[15] 。

　　中等光澤表面：基材的變化

　　為了考察涂層的變化(陰極電泳漆、底漆和中途)和基材形態(tài)對不同涂層的影響，做了幾組試驗(yàn)進(jìn)行測量。這些研究細(xì)節(jié)見參考文獻(xiàn)^[18] 。以下只匯總了不同鋼材基材上的研究及主要結(jié)果。

　　所研究的28種基材中的大部分都常用于汽車行業(yè)的車身外部件(Ra：0.9-1.5μm，峰值數(shù)目RPC>60個(gè)/cm)。圖4中，通過4個(gè)樣板，展示了基材和相應(yīng)的EC表面輪廓曲線。

　　基材1-3的Ra值的粗糙度范圍為0.9-1.5 μm，峰值數(shù)目60～75 個(gè)/cm?；?顯示良好的Ra值0.8 μm，但峰值數(shù)目非常少(12 個(gè)/cm)。

　　因?yàn)榉逯禂?shù)目少，所以要對該基材進(jìn)行涂裝很困難，不能用于汽車車身外殼。

　　電泳漆施工和逐道涂層的涂裝工藝都采用相同的材料，涂裝環(huán)境也相同。

　　使用雙模式波長掃描儀可以很容易對電泳漆進(jìn)行測量(圖5)，圖6展示在4種基材樣板上電泳漆和面漆的結(jié)構(gòu)差不多(圖6)。從整個(gè)樣板組來看，基材和電泳漆結(jié)構(gòu)輪廓結(jié)構(gòu)測量值之間的線性相關(guān)系數(shù)為r≈0.9(長波范圍)(積分1)，r≈0.7(短波范圍)(積分 2)。在水平施工時(shí)EC和清漆結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)系數(shù)是0.8^[18] 。

　　更多情況的總結(jié)

　　關(guān)于板材類型、基材粗糙度、變形情況以及涂料體系對涂膜外觀影響的進(jìn)一步研究結(jié)果的匯總參見參考文獻(xiàn)^[15] 。關(guān)于低光澤涂料體系(電泳漆和中涂)變化的更多研究見參考文獻(xiàn)^[18] 。底材的成型及深拉工藝導(dǎo)致金屬基材波紋增多的影響參見參考文獻(xiàn)^[19] 。

　　在研究涂層表面結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理時(shí)，一定要考慮液體涂料的流動(dòng)性會(huì)受黏度、表面張力以及其它參數(shù)的影響。為了解涂膜外觀的成因，對特性物理參數(shù)和工藝參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了建模和模擬^[20-22] 。

　　機(jī)械式輪廓儀可應(yīng)用于所有基材和涂層。雙模式波長掃描儀的使用受消光度和獨(dú)特表面結(jié)構(gòu)的限制。如果將基材表面結(jié)構(gòu)與涂層材料的自身結(jié)構(gòu)相結(jié)合為常見形式，那么就可以對電泳漆進(jìn)行光學(xué)研究。一般來說，對底漆和中涂的測量不會(huì)受這種限制。

　　致 謝

　　本論文在英國伯明翰ETCC 2016歐洲涂料技術(shù)大會(huì)上發(fā)表。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] Boyd D.W., Proc. XIII. Int. Conf. Org. Coat. Sci. Techn., Athens, 1987, p 59.

　　[2] Fister F., Dingerdissen N., Hartmann C., Proc. XIII. Int. Conf. Org. Coat. Sci.Techn., Athens, 1987, p 113.

　　[3] Armbruster K., Breucker M., Farbe + Lack, 1989, Vol. 95, p 896.

　　[4] Nakajima T. et al, Proc. XVII. Int. Conf. Org. Coat. Sci. Techn., Athens, 1991, p227.

　　[5] Geier W., Osterhold M., Timm J., Metalloberfläche, 1993, Vol. 47, p 30.

　　[6] Bastawros A. F. et al, SAE Technical Paper Series 930032,1993.

　　[7] Timm J. et al, Bänder, Bleche, Rohre, 1994, Vol. 35, No. 9, p 110.

　　[8] Osterhold M. et al, Bänder, Bleche, Rohre, 1994, Vol. 35, No. 10, p 44.

　　[9] Osterhold M., Prog. Org. Coat., 1996, Vol. 27, p 195.

　　[10] Osterhold M., Mat.-wiss. u. Werkstofftech., 1999, Vol. 29, p131.

　　[11] Deutscher O., Armbruster K., Proc. 3rd Stahl-Symposium, Düsseldorf, Germany, 2003.

　　[12] Stegen H., Buhk M., Armbruster K., Paper TAW Seminar, Kunstofflackierung– Schwerpunkt Automobilindustrie, Wuppertal, Germany, 2002.

　　[13] Armbruster K., Stegen H., Proc. DFO Congress, Kunststofflackierung, Aachen, Germany, 2004, p 78.

　　[14] Osterhold M., Armbruster K., Proc. DFO Congress, Qualitätstage 2005, Berlin, Germany, 2005, p 4.

　　[15] Osterhold M., Armbruster K., Prog. Org. Coat., 2006, Vol. 57, p 165.

　　[16] Deutscher O., BFI, Düsseldorf, Carsteel-Bericht, 2008.

　　[17] Osterhold M., Armbruster K., Proc. DFO Congress, Qualitätstage 2008, Fürth, Germany, 2008, p 7.

　　[18] Osterhold M., Armbruster K., Prog. Org. Coat., 2009, Vol. 65, p 440.

　　[19] Weissberg D., Proc. DFO Congress, 21. Automobil-Tagung 2014, Augsburg, Germany, 2014.

　　[20] Hager C., Schneider M., Strohbeck U., Proc. ETCC 2012, Lausanne, Switzerland, 2012.

　　[21] Hilt M., Schneider M., Die Entstehung von Lackfilmstrukturen verstehen, www.besserlackieren.de, 7 March 2014.

　　[22] Tiedje O., Proc. DFO Congress, 21. Automobil-Tagung 2014, Augsburg, Germany, 2014.

　　“只有連續(xù)進(jìn)行測量，才能確保獲得優(yōu)異穩(wěn)定的外觀。”

　　Michael Osterhold博士，

　　獨(dú)立顧問，

　　michael.osterhold@t-online.de

　　向Michael Osterhold提出3個(gè)問題

　　為什么基材和涂層的表面表征如此重要?

　　由于過去目視檢查中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)再現(xiàn)性較差的情況，所以開發(fā)了波長掃描儀，在評估涂層表面結(jié)構(gòu)時(shí)可獲得定量的數(shù)據(jù)。目前，汽車和涂料制造商的質(zhì)量保證過程越來越多地依賴于這種省時(shí)的檢測方法。可以通過輪廓儀描述表面形態(tài)的細(xì)節(jié)。

　　如果不對表面形態(tài)進(jìn)行表征會(huì)造成什么后果?

　　在涂裝過程中只有連續(xù)地進(jìn)行測量，才能確保獲得優(yōu)異穩(wěn)定的外觀。否則就無法檢測到因意外的工藝變化或產(chǎn)品質(zhì)量的意外變化導(dǎo)致的影響。其他因素，例如基材形態(tài)，對最終涂層外觀的影響將不得而知，最終導(dǎo)致難以控制甚至無法控制這種影響。

　　您推薦哪種方法?為什么?

　　采用輪廓儀方法可以檢測到從基材到面漆的表面結(jié)構(gòu)，在過去主要用于實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)研究(例如：基材對面漆外觀的影響)。另一方面，波長掃描儀可以用在日常工作中，也可在生產(chǎn)條件下實(shí)現(xiàn)對涂層結(jié)構(gòu)方便、快速的評估。