保护性涂装涂层系统性能系列-附着原理及其重要性

1.附着力的原理

在ASTM工程科学与技术专业(ASTM DISCTIONARY OF ENGINEERING SCIENCE & TECHNOLOGY)文档中将结合力分为两个概念，一个是内聚力（Cohesion），一个是附着力（Adhesion），并分别将其定义为，

内聚力，大量物质的组成部分通过化学和物理力结合在一起的状态。(Cohesion, n-the state in which the constituents of a mass of material are held together by chemical and physical forces).

附着力，两个表面被界面力结合在一起的状态。（Adhesion, n-the state in which two surfaces are held together by interphase forces.）

在ISO 16276-1:2007标准中，引用了ISO 4618:2014 （色漆和清漆，术语和定义）中的相关定义，也将涂层系统的结合力分为内聚力和附着力，分别定义为，

附着力，固体表面和另一种材料的界面上因分子力作用而发生的黏合现象。备注：附着力不应与内聚力混淆（adhesion, phenomenon of attachment at the interface between a solid surface and another material caused by molecular forces. NOTE: Adhesion should not be confused with cohesion.）

内聚力，将漆膜或涂层粘合成一体的力。备注：内聚力不应与附着力混淆。（cohesion, forces that bind a film or coat into an integral entity. NOTE, Cohesion should not be confused with adhesion.）

同时，在ISO 16276-1:2007的标准中，还提出了一个断裂强度 (fracture strength)的概念，并将其定义为，

断裂强度，超过黏合力所需的力，涂层之间或涂层与基材之间（附着）和/或一度涂层内（内聚力）(fracture strength, force required to exceed the attachment forces, between coats or between coat and substrate (adhesion) and/or within a coat (cohesion)

因此，在理解“结合力”（黏合力）时必须要十分清楚，我们其实在讨论两个“概念”，也就是“附着力”和“内聚力”。同时，我们很多时候讨论的“附着性能”更贴近于“断裂强度”的定义。也就是说，一定试验方法获得的测试结果（量化试验）就是为了判断特定保护涂层系统的断裂强度，并与给定项目的技术规范文本设定的可接受参数做一个比较，以评估涂装系统是否符合“设计要求”。

在这里我们还需要确定一个“经常使用但是有点混淆的名称”，在 ISO 4618（色漆和清漆，术语和定义）标准中定义了实际施涂中“层（度）”（coat）的概念，我们所谓的“层”是指一次施涂产生的涂料层。（coat, layer of a coating material resulting from a single application.）。标准中还定义了“涂层”(coating)的概念，也就是将一种涂料单次或多次涂覆到基材上形成的层（layer formed from a single or multiple application of a coating material to a substrate）。同时，ISO 4618标准中的Coating还有一个解释，即“涂装”，是指涂料施涂的过程。（process of applying a coat.）

我们可以达成一个共识，同一涂层材料（油漆、涂料）如果分多次施涂完成的涂膜，那么，多次涂覆成形的涂膜之间的结合力视作附着力（adhesion）,而不是依据我们常规的拉拔法附着力测试方法判断断裂界面外观而判定为内聚力（cohesion）。

在 ISO 4618:2014标准中也定义了附着强度(adhesive strength) 的概念，它是指将涂层从基底或其他涂层上剥离所需的力。（force required to detach a coating from a substrate or another coating.）

我们统一了对于特定概念的定义和理解，可以在同一基础上更好地理解后续的知识内容。

2.附着的重要性

涂装行业里有一句行话，就是对于保护涂层系统的附着性能重要性我们如何强调都不为过。因为附着是防护涂料的基本性能之一，是其他性能的重要基础。“无附着，无性能”这是一条基本原则基础。无论哪种保护性涂层其所设计的所有性能如何完美，如何高端，都是建立在涂层最基本的附着性能之上的。如果没有足够的附着力，那么在耐候性、耐化学品性、耐刮擦性或耐冲击性方面等其他性能优异的涂层都将毫无价值。同时，大部分的漆膜缺陷和涂层失效与保护涂层系统的不理想附着力有关和/或由其造成的。

（备注：为了更好地便于后续我们的讲解，这里我们还需要统一漆膜缺陷和涂层失效这两者的区别。漆膜缺陷通常是在涂装过程中，既保护涂层的不完整性 – 缺陷）；而涂层失效可以认为是由于涂装过程中的不完整性-缺陷而导致涂层系统性能早期丧失。虽然，在有些方面漆膜缺陷与涂层失效之间并没有明显的区别，有些技术文本中并不区分两者的差异性。我们这里提出这个差异性仅仅是为了之后我们在讨论涂层附着性能等方面能更好地理解和解读）。

如果一个涂层要获得保护或装饰基底的功能，则必须在预期的使用寿命内粘附在基底表面。这里的“预期使用寿命”若没有特别说明，则我们通常会理解为ISO12944系列标准中所定义的“耐久性 durability”。

我们知道，所有的有机保护涂层系统都无法提供“永久性“的防腐保护。在一定的腐蚀环境下 - 腐蚀性corrosivity，有机体都会发生老化（weathering）。这个自然发生的过程将影响并最终导致保护涂层系统各项设计性能降低或消失，这些性能就包括了保护涂层系统的附着性能。

那么，我们如何判定其附着性能是符合“预期的使用寿命内粘附在基底表面”要求？如果我们仅针对特定保护涂层系统的附着性能而言，在其规定的服务年限(durability)内，老化涂层若保持完整无缺陷并且其拉拔法附着力测试的拉拔值大于2.5兆帕以上（除非另有规定），则我们在其表面进行覆涂overcoating是可以接受的。对于这个结果，我们会在后续的讲解中详细说明。

这里还需要重申一点，我们在理解和解读一个涂装知识点时，绝对不能孤立地机械化阅读“字面”意思，也就是我们所谓的“断章取义”。譬如，我们之前提到的老化涂层系统覆涂条件是2.5兆帕以上，如果临近并仅稍高于这个阈值，而断裂界面发生在涂层与基材表面，那么，覆涂工艺就存在很大的风险了。因为被涂装的基材（通常是固体底材）与我们常见的有机涂层材质的差异性很大，各具有一定的界面特性（张力，应力，自由能等）。相互之间的接触特性，界面兼容，润湿性能等等，要比有机涂层之间复杂得多。

因此，有机涂层涂敷在一个基材表面上，所产生的附着特性更为苛刻。同时，由于基底及其表面处理（或缺乏）对涂层的附着力有很大的影响，因此，一种评估涂层对不同基材或表面处理，或不同涂层对同一基材和表面处理的附着力的方法，在工业中具有很大的重要性。