基板表面特性对彩涂板涂层附着力的影响

温乃盟

（宝山钢铁股份有限公司 研究院，上海201900）

彩涂板是指通过连续生产机组，以镀锌板（GI、EG）、镀铝锌板（GL）或者冷轧板（CR）等为基板，对基板表面进行预处理后涂覆一定厚度有机涂层所获得的一种预涂层钢板［1］。彩涂板具有优异的耐蚀性与良好的装饰性［2］，可以简化用户生产工序、降低加工成本，具有使用安装方便快捷的特点，广泛应用于建筑、办公、家电等领域［3］。涂层附着力是评价彩涂板质量好坏的一个重要技术指标，无论在哪种领域的应用，均要求彩涂板具有良好的涂层附着力［4］。

影响涂层附着力的因素很多［5-10］。归纳起来，主要有涂料性能、基板表面预处理工艺、涂层固化工艺、基板的表面粗糙度等。实际生产与研究发现，除上述因素外，基板的表面特性对彩涂板的涂层附着力亦有明显的影响。本工作根据现场生产实绩统计，确定了涂层附着力劣化与基板类别和来源之间的关联，通过电化学测试以及GDS（辉光光谱）对相关基板进行了表面特性分析，研究了基板表面特性对涂层附着力的影响。

1 试验

1.1 试验材料

试验材料为彩涂生产的基板，为不同生产线生产的热镀锌GI板或者热镀铝锌GL板。实际生产中，以这些材料（规格0.5mm×1 000mm×C）为基板在同一彩涂机组、采用相同的生产工艺（包括表面预处理，涂料及涂层固化工艺）生产同一品种的彩涂板时，它们的涂层附着力相差很大。

1.2 涂层附着力表征

对以上述基板生产的彩涂板进行T弯性能检测，以T弯值为评价彩涂板涂层附着力的指标，评价标准为：T弯值≤3为合格，T弯值≥4为不合格。

1.3 表面活性分析

将基板剪切成30mm×30mm的片状试样，用丙酮对其表面进行脱脂处理，采用电化学系统测试其在实际预处理剂中的电位-时间曲线，以此评估基板在预处理剂中的表面电化学活性，通常情况下电位越高则说明表面活性越低，反之则越高。

1.4 表面成分分析

采用GDS分析基板表面的成分深度分布，以探讨基板表面电化学活性差异原因。

2 结果与讨论

2.1 不同基板彩涂板涂层附着力情况统计

以不同产线生产的热镀锌GI板、热镀铝锌GL板为基板进行彩涂生产。连续跟踪、分析了933卷（每卷重约20～30t）不同基板彩涂板产品的涂层附着力，其中白灰色涂料的成品508卷，涂层附着力不合格率为12.6%；海蓝色涂料的成品425卷，涂层附着力全部合格，即涂层附着力不合格的情况主要发生在白灰色涂料产品上，而海篮色涂料产品则不论哪种基板都没有出现涂层附着力不合格的情况。这说明涂料颜色（涂料种类）对彩涂板涂层附着力影响很大。

白灰色涂料的508卷成品按照所用的基板材料进行进一步细分，结果如表1所示。

表1 白灰色彩涂板涂层附着力统计分析结果（按基板来源分）Tab.1 Statistical results of adhesion for white and gray coated plate coating（divided by baseplate）

由表1可见，以GL板为基板的彩涂板涂层附着力全部合格。实际生产实绩也证明，以GL板为基板的彩涂板涂层附着力都是合格的。以GI板为基板的彩涂板产品中，本厂B线与外厂1线的GI基板的涂层附着力尚可（不合格率极低），外厂2线GI基板的涂层附着力不合格率高达24.5%。因此，在跟踪的这批彩涂板中，涂层附着力不合格情况主要集中在外厂2线GI基板的产品上。

经分析，外厂2线GI板的镀锌层厚度、镀层成分等质量因素与本厂B线、外厂1线的都是相当的。彩涂板涂层附着力体现的是有机涂料／基板表面间的界面结合情况，在相同涂料和相同生产工艺（表面预处理及涂层固化工艺）的情况下，涂层附着力出现部分不合格的波动，说明这些基板的表面特性可能存在差异，从而对涂层附着力产生一定影响。

为进一步调查涂层附着力波动的原因，实际生产中对涂料的品牌（即涂料生产商）、表面预处理工艺（即预处理剂种类）进行了交叉更换，结果仍然显示：涂层附着力不合格的情况主要发生在白灰色涂料产品上，并且也主要集中在外厂2线GI基板的产品上。这进一步证明基板的表面特性状态是影响涂层附着力的主要因素。此外，进一步的调查结果显示：这批彩涂板涂层附着力波动与基板表面粗糙度没有相关性。

2.2 不同基板表面特性分析

测量了表1中4种彩涂基板在两种预处理剂（均为所研究彩涂线用的处理剂）中的表面电化学活性（电位-时间曲线），结果见图1。

图1 各种基板在两种预处理剂中的电位-时间曲线Fig.1 Potential curves of substrates measured in pretreatment agent solution A（a）and B（b）

由图1可见，在试验的两种预处理剂中，本厂A线GL板的电位最低，即本厂A线GL板在这两种预处理剂中的表面电化学活性最高；而外厂2线GI板则电位最高，即表面电化学活性最低。另外两种GI板的电化学活性很接近，它们均高于外厂2线GI板，但低于本厂A线GL板。

采用GDS对各种基板进行表面成分分析（结果如图2）。由图2可见，外厂2线GI板表面的铝含量最低，外厂1线GI与本厂B线GI板均在表面存在明显的铝富集现象，富集区域铝含量明显高于外厂2线GI板。本厂A线GL板是热镀铝锌板，其表面铝含量（质量分数，下同）更是高达55%。由此确定，导致不同基板表面电化学活性差异的原因与镀层表面铝成分差异有关。

图2 不同基板表面铝含量GDS深度分布Fig.2 Distribution of Al content in substrate surface（by GDS）

上述外厂2线GI板生产工艺上采用了湿平整工艺。为进一步研究该GI板，将外厂2线生产的未经平整的GI板以及同时生产的湿平整的GI板进行了对比试验。即在同一彩涂线上采用相同工艺生产相同品种的彩涂板，同时对这两种GI板进行表面成分分析和表面电化学活性分析，结果见图3。结果表明：未平整GI板的彩涂板涂层T弯性能合格，而经过平整的则不合格；未平整GI板表面亦存在明显的铝富集，富集区域铝含量明显高于平整GI板，即未平整GI板的表面活性高于平整GI板。该结果再次说明了基板表面特性与相应彩涂板涂层附着力之间具有对应关系。

2.3 彩涂板涂层附着力波动原因分析

所研究的彩涂生产线采用的预处理工艺为辊涂工艺，即基板带钢经过脱脂除油处理后，采用辊涂机将预处理剂均匀涂覆于表面，并加热带钢使预处理剂干燥、成膜，随后即可以进行有机涂料的涂覆。因此可以认为，对于该预处理工艺的彩涂板生产，基板的表面活性会影响预处理剂与基板的反应，即影响所形成的预处理膜与基板的结合情况，从而影响彩涂板有机涂层与基板的附着力。而对于不同产线生产的不同批次GI板，由于热镀锌生产工艺存在差异或者波动，导致GI板表面铝含量以及表面电化学活性等表面特性存在差异，因而导致以其为基板的彩涂板涂层附着力存在差异。

图3 未平整与平整GI板的表面铝含量与表面活性Fig.3 Al content（a）and electrochemical activity（b）of GI surface（skin-passed and non）

因此不难分析，上述试验中本厂A线GL板由于在两种预处理剂中的电化学活性都很高，其与预处理剂具有很好的化学反应，可以获得良好的预处理膜，因而实际生产中以GL为基板的彩涂板涂层附着力都是合格的。对于外厂2线的平整GI板，则由于湿平整工艺的原因，使得其在两种预处理剂中的电化学活性都很低，即与预处理剂的反应性差，不能获得良好的预处理膜。因而以外厂2线平整GI板为基板的彩涂板涂层附着力差且波动大。而同样是“外厂2线”生产的GI板，如果不进行平整处理，则由于其表面铝存在富集，表面电化学活性高，因而相应的彩涂板涂层附着力也是合格的。

为进一步验证基板表面特性（表面铝成分、表面电化学活性）与彩涂板涂层附着力之间的对应关系，对另一来源（外厂3线生产的不同批次）的GI基板彩涂板生产的情况进行了跟踪与分析。结果显示：以批次1的GI板（这里记为“外厂3线GI-1”）为基板的白灰色彩涂板涂层附着力均为合格；而批次2的GI板（这里记为“外厂3线GI-2”）在同样条件下生产的彩涂板涂层附着力均不合格。进一步的表面特性分析结果（如图4）显示：外厂3线GI-1的表面铝富集明显、表面电化学活性亦高；外厂3线GI-2的情况则相反，表面不存在铝富集，电化学活性低。

图4 其他来源GI板的表面铝含量与表面活性Fig.4 Al content and electrochemical activity of GI surface（another source）（a）Al content distribution （b）electrochemical activity

3 结束语

影响彩涂板涂层附着力的一般性因素有涂料种类与性能、基板表面预处理工艺、涂层固化工艺以及基板的表面粗糙度，除此之外，基板表面活性对涂层附着力具有明显的影响。基板表面活性与镀层表面铝元素富集相关，表面铝含量越高，则表面活性越高，彩涂板涂层附着力就越好；相反则表面活性越低，彩涂板涂层附着力就越差。而镀层表面铝含量则与热镀锌生产工艺状况密切相关，不同产线或者不同生产工艺状况均会导致镀层表面特性差异。

［1］朱立，徐小连.彩色涂层钢板技术［M］.北京：化学工业出版社，2005：10-15.

［2］曹楚南.悄悄进行的破坏-金属腐蚀［M］.北京：清华大学出版社，2000：9-10.

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［4］王成晓，安德福.发展中的彩色涂层钢板生产［J］.天津冶金，2004，6（1）：38-39.

［5］马志军，潘圣广，程博.影响彩涂板T弯性能的原因分析与改进［J］.科技风，2012，7：13.

［6］贺新，陈连生，俞俊杰，等.表调／铬酸盐钝化复合膜对彩涂板性能的影响［J］.河北理工大学学报：自然科学版，2007，29（3）：41-44.

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