保护性涂装涂层系统性能附着原理及其应用-基材类型（二）

2.基材类型 Types of Substrates

众所周知同一涂料品种经同一施工工艺施涂于不同基材表面/不同基材表面条件，其所获得的的附着性能具有很大的差异性。通常我们都将需要涂装的主要基底类型分为金属基底和非金属基底：

1)金属基底包括：

a)黑色金属（铁基金属）：铸铁，铁合金（低合金钢，高合金钢），冷轧钢，热轧钢，镀锌钢等

b)有色金属（非铁基金属）：锌及其合金，铝及其合金，铜及其合金等

2)非金属基底

a)混凝土，水泥砂浆，石膏板

b)木材

c)防火层

d)聚酯/塑料，玻璃纤维增强塑料

从实际意义上讲，有机涂层与金属的结合力处于一个较高的发展水平。已经确定了表面能、化学键、表面不规则性和污染物（氧化物、吸附水等）的影响作用。而涂层对塑料基材的附着力却较为复杂。由于表面能低、不相容、化学惰性或存在污染物（油、润滑剂、增塑剂等）和薄弱的边界层，聚合物表面通常更难润湿和粘合。在没有表面处理的情况下，涂层附着力主要是靠范德华力和/或极性力、机械附着力（来自表面的不规则性）和相互扩散的共同作用。

这里我们引用一个扫描电镜研究报告来说明一下“相互扩散作用”对于附着力的影响。（Chapter 47th  ’Paint and Coating Testing Manual’, 15th Edition of the Gardner-Sward Handbook, Joseph V. Koleske）

图4所示为应用于改性聚苯醚（PPO和聚苯乙烯的混合物）的热塑性丙烯酸涂料的扫描电子显微照片，聚苯醚是一种重要的工程热塑性塑料。第一层涂料含有60%的推荐溶剂量。形成的界面十分明晰。在这种情况下，附着似乎主要是由于机械力和吸引力。

图5显示了相同的基材和涂层，在这种情况下，其含有100%的推荐溶剂量。图4所示的明晰界面不再存在，中间过渡层在其各自界面之间形成。这种扩散界面的形成无疑是塑料涂层所独有的。粘结强度是配方、溶剂含量和干燥时间的共同作用。

图6，ISO 8501-1, 清洁度等级 A Sa3 Vs D Sa3

特殊表面条件，是指具有明显特征的表面条件，例如铸铁表面（类似的还有金属热喷涂表面，混凝土表面，无机硅酸锌表面等），常称之为多孔表面 porous surface。这种多孔表面对于后续涂层覆盖需要特别注意，否则会出现一些漆膜缺陷。

其中有一点是容易被忽视的，与涂层附着性能相关的问题 – 涂层内聚强度的减弱。在解释这种现象之前，我们先介绍一个与油漆配方相关的参数，颜料体积浓度（Pigment Volume Concentration, PVC）以及临界颜料体积浓度（Critical PVC）。这两个参数是以百分比为单位，表示涂料总体积（颜料体积+树脂体积）中所含颜料体积的比例。

当涂料中颜料体积达到临界点时就会形成一个临界的颜料体积浓度（%）。这两个参数都与涂料中的诸多性能相关，例如，光泽度、防水性、防腐性以及机械性能等。这里的机械性能包括了内聚强度。通常情况下，随着颜料体积浓度的增加（除叶片状颜填料以外），涂层的内聚强度通常都是降低的，尤其是接近其临界颜料体积浓度（CPVC）情况下。

我们知道一般油漆（涂料）中各种固体成分，即颜料和填料都是均匀地分散在液态的树脂和/或溶剂（水介质）并呈均匀相Homogeneous phase。在之后的存储、运输过程中可能会发生一定程度的沉降 settling现象，但是，这种沉降可在涂装施工现场施涂之前通过合适的搅拌步骤得以修正，并恢复到原先的均匀分散相。

经过喷涂施工方法涂覆到基材表面。如果基材表面也是呈现均匀纹理，譬如磨料喷砂处理后的钢材表面，如图7所示，那么，均匀相的涂料可以被涂覆到表面并形成均匀的涂膜层，这种情况可以确保涂层从液态转为固态过程中所形成的内部应力也是均匀分布而合理的。

但是，如果常规涂料涂覆在一个多孔表面时，均匀相的涂料会在不均匀的表面纹理（孔隙）中形成不良的涂膜成形，尤其是在颜填料颗粒细度较大时，容易造成空隙内流入的液态树脂，而空隙外部形成过量的颜填料（高的PVC）。这就会造成应力分布不均匀从而导致涂膜的内聚强度降低。因此，在多孔表面涂覆常规涂料时，需要标配一种特殊的施工工艺，即雾喷（mist-coating）或闪喷（flash-spray）来确保涂层成膜的致密性以及改善涂层的附着性能。其替代方案是使用封闭底漆 （sealer）。

风化 weathering，是一种自然现象。当保护涂层系统暴露于一个严苛的腐蚀环境中，会忍受腐蚀介质（湿气，温度，化学物，风力等）的侵蚀而导致涂层失去其设计性能，如果涂层在其设计服务年限（耐久性durability）之内发生明显的性能丧失，则这种现象被定义为涂层的早期失效。如图9所示，各种风化现象。

图9，各种基材的风化现象

在没有基底腐蚀的情况下，涂层的分层也可以通过风化产生。一个常见的问题是环氧底漆和具有高紫外线透射率面漆的界面粉化。在紫外光、湿气和氧气存在下，环氧底漆在底漆和面漆之间的界面处发生降解，导致面漆与底漆分层。由于紫外线、水和氧气对木质基材的侵蚀，透明或半透明的外部木材涂层也可能发生分层。当木质基材涂层界面被破坏时，完整的涂层也会发生分层。解决这个问题的方法是在涂层中添加有机和无机紫外线吸收剂，以保护木质基材不受降解影响。

在之后的专栏中，我们将着重讲解表面处理中两个最为关键的方面，清洁度和粗糙度对于涂层附着性能的影响，并结合一些案例来证明所述的内容。