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構(流平、波紋和橘皮等)的影響。汽車和涂料行業使用兩種不同測量方法。本文對這些方法進行了比較，并討論了每道涂層對表面結構的影響。

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

　　本文介紹了采用機械式輪廓儀結合傅里葉技術(FFT快速傅里葉轉換)可以獲得關于表面形態的詳細信息，同時也可獲得基材或其他因素對最終涂層外觀的影響^[1-18] 。為模擬通過表面結構的光學檢測而獲得的視覺效果，德國BYK-Gardner公司開發了波長掃描儀。

　　除了對高光表面(包括面漆/清漆)進行測量外，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，甚至有時還可測量電泳漆。采用輪廓儀和波紋掃描技術研究了涂料在金屬和塑料基材上的應用，經過一段時間的試驗，總結了基本關系和相關應用實例。

　　機械式表面表征的范圍

　　采用機械式輪廓儀“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或者是一種金剛石尖頭半徑為5 μm的所謂基準系統(無滑移塊)。該機械式輪廓儀的垂直分辨率約為0.01 μm。可記錄48 mm或15 mm掃描長度內的表明輪廓。在48 mm長的掃描區中可截出8 mm的波長來區分粗糙度和波紋輪廓。

　　根據典型的粗糙度參數(即平均粗糙度Ra)對機械式輪廓儀的測量結果進行評估，提供了關于表面結構的綜合信息。與粗糙度參數相比較， 采用傅里葉技術(FFT)可獲得有關表面結構更詳細的特征。

　　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，自功率波譜的強度可進行加合，用于表面結構的進一步評估^[14] 。

　　圖1顯示了從底材到面漆的典型表面形貌的擬三維圖。，用一個精確定位臺在兩個直線掃描之間小距離移動樣本。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)對涂層結構進行光學測量。在該過程中，測量原理基于對由樣本表面結構對小型激光二極管產生的反射光的調整。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的長度內移動掃描。信號被分為5個0.1～30 mm波長范圍，并經過數學濾波處理。對這5個波長范圍中的任意一個都可以計算得到一個特征值(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)。

　　數值低表明表面結構平滑。此外還安裝一個LED光源，使其通過一個光圈以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)。對低光澤區域可轉換成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行了評估。選擇樣本時考慮從光滑到粗糙 (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。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，可以獲得在獨立涂裝不同汽車部件基材表面(鋼材或塑料)時，獲得相似結構外觀?；诖?，近來影響塑料部件表面的參數已變得越加重要。

　　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涂層體系^[12] 。光學測量和機械測量(Ra)都顯示相同趨勢：玻璃纖維含量越高，所測得的結構值越大。除了玻璃纖維含量的影響外，在另一項研究中，還觀察到與所采用玻璃纖維的類型有關^[13] 。

　　圖3顯示了這種影響，同時展示了兩種高、低表面結構基材的對比。結構的波幅降低了，但基材的基本結構會部分轉移到每一道涂層上，并最終影響面漆外觀。

　　這些結果非常重要，因為基材結構明顯地影響最終涂層結構。根據表面結構測量結果，可進行塑料基材的初步選擇，從而獲得適應涂層體系的最佳結構(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)和基材形態對不同涂層的影響，做了幾組試驗進行測量。這些研究細節見參考文獻^[18] 。以下只匯總了不同鋼材基材上的研究及主要結果。

　　所研究的28種基材中的大部分都常用于汽車行業的車身外部件(Ra：0.9-1.5μm，峰值數目RPC>60個/cm)。圖4中，通過4個樣板，展示了基材和相應的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，峰值數目60～75 個/cm。基材4顯示良好的Ra值0.8 μm，但峰值數目非常少(12 個/cm)。

　　因為峰值數目少，所以要對該基材進行涂裝很困難，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，涂裝環境也相同。

　　使用雙模式波長掃描儀可以很容易對電泳漆進行測量(圖5)，圖6展示在4種基材樣板上電泳漆和面漆的結構差不多(圖6)。從整個樣板組來看，基材和電泳漆結構輪廓結構測量值之間的線性相關系數為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EC和清漆結構之間的相關系數是0.8^[18] 。

　　更多情況的總結

　　關于板材類型、基材粗糙度、變形情況以及涂料體系對涂膜外觀影響的進一步研究結果的匯總參見參考文獻^[15] 。關于低光澤涂料體系(電泳漆和中涂)變化的更多研究見參考文獻^[18] 。底材的成型及深拉工藝導致金屬基材波紋增多的影響參見參考文獻^[19] 。

　　在研究涂層表面結構的形成機理時，一定要考慮液體涂料的流動性會受黏度、表面張力以及其它參數的影響。為了解涂膜外觀的成因，對特性物理參數和工藝參數之間的關系進行了建模和模擬^[20-22] 。

　　機械式輪廓儀可應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特表面結構的限制。如果將基材表面結構與涂層材料的自身結構相結合為常見形式，那么就可以對電泳漆進行光學研究。一般來說，對底漆和中涂的測量不會受這種限制。

　　致 謝

　　本論文在英國伯明翰ETCC 2016歐洲涂料技術大會上發表。

　　參考文獻

　　[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.

　　“只有連續進行測量，才能確保獲得優異穩定的外觀。”

　　Michael Osterhold博士，

　　獨立顧問，

　　michael.osterhold@t-online.de

　　向Michael Osterhold提出3個問題

　　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會出現再現性較差的情況，所以開發了波長掃描儀，在評估涂層表面結構時可獲得定量的數據。目前，汽車和涂料制造商的質量保證過程越來越多地依賴于這種省時的檢測方法?？梢酝ㄟ^輪廓儀描述表面形態的細節。

　　如果不對表面形態進行表征會造成什么后果?

　　在涂裝過程中只有連續地進行測量，才能確保獲得優異穩定的外觀。否則就無法檢測到因意外的工藝變化或產品質量的意外變化導致的影響。其他因素，例如基材形態，對最終涂層外觀的影響將不得而知，最終導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構，在過去主要用于實驗室的基礎研究(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，也可在生產條件下實現對涂層結構方便、快速的評估。