103UV穿透率在汽车涂层设计中的应用(09年会)

UV穿透率测试技术在汽车涂层设计中的应用王纳新1，周胜蓝1，吴涛2*，王希军3*（1.中国第一汽车集团公司技术中心:2.中国第一汽车集团公司生产制造技术部:3.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）【摘要】根据Beer-Lambert定律，提出了一种涂层UV穿透率的透射光谱法测试方案，建立了涂层设计模型，得到了涂料、涂层厚度及其耐候性间的关系。根据建立的模型，能够快速检测涂层质量和确定涂层最经济的工艺膜厚，指导涂层设计和确定生产线相关工艺参数。【关键词】透射光谱法UV穿透率涂层厚度耐候性1前言汽车涂装技术多元化时代的到来[1]，带动了现代测试技术的深入研究，一直以来，反映汽车涂料耐候性优劣的快速检测技术备受关注。目前，涂料耐候性的快速检测技术主要侧重于加速涂料老化进程的加速试验方法。通常将其分为试验室加速老化试验和自然加速老化试验，但它们都遵循加速试验的一般原理，即在模拟典型自然环境条件的基础上，强化促进涂料老化的光照、湿度、温度等因素，缩短试验周期，其主要价值在于为不同材料耐候性的比较提供了可重复的试验条件[2]。上述两种检测手段的周期都比较长，在一定程度上不能与汽车行业的发展和需要同步。近年来，光谱被广泛应用于检测领域[3-6]，将其应用于汽车涂层设计阶段和涂料开发过程中，可实现快速、简单、准确地测试涂层UV穿透率。UV穿透率可反映一定膜厚涂层对295nm~780nm（1×10-9m）波段日光的隔离性能，进一步反映出的涂料性质、施工参数（例如，膜厚）和耐候性间的关系。从另一个角度，提供一种快速判断材料耐候性优劣的检测技术。这是与常规的涂料耐候性加速试验方法不同的光学方法。2原理设定光强通过介质（涂层）时的吸收系数为α(λ)，α(λ)是所用测试光源波长的函数，与介质（涂层）的厚度L无关。当测试光通过被测介质（涂层）后，光源的强度由I0（λ）减小到了I（λ）。根据Beer-Lambert定律有（7）：LeII)(0)()(（1）吸收系数α(λ)标志着介质（涂层）对光强的吸收能力，当α(λ)越大时，介质（涂层）对光的吸收能力就越强。根据式(1)变换得：LTIIL)(ln)()(ln1)(0（2）其中：α(λ)为介质（涂层）的吸收系数；L为介质（涂层）厚度，常用单位为微米；T(λ)为光强透过率，常用百分数表示（%）。由此，通过对介质（涂层）透射光谱的测量，如果所测介质（涂层）的厚度L是已知的，只要测出透过率T(λ)，得到了只与介质（涂层）性质有关的吸收系数α(λ)。3试验部分3.1测试光路设计为测量涂层的吸收系数，设计了的测试光路图，如图1所示。图1测试光路原理图Lambda9UV/可见光谱仪采用氙灯作为UV/可见波段光源，光电倍增管为探测器。BM1和BM2为50%分束镜，M1和M2为全反射镜。为了减小测量结果的误差，载物片和参比片选择表面状态一致的UV石英材料。图中光源发出的光I00经一分束镜被分为两束，其中一束为I01，照射到有涂层的载物片上，这一束作为物光；另一束为I02，照射到无涂层的参比片上，作为参考光。先测量载物片的透过率，得到载物片的吸收系数记为α1(λ)，然后测量参比片的透过率，得到吸收系数α2(λ)，由下式得到涂层的吸收系数α(λ)：)()()(21（3）在紫外波段，参比片的吸收是影响涂层吸收系数测量精度的主要因素。通过以上光路去除了参比片的影响，测量得到的涂层吸收系数比较精确。3.2试样制备步骤根据试样是将涂料涂覆在新的石英片上还是经过清洗再次使用的石英片上，而将试样的制备过程分为首次制备和再次制备，具体步骤分述如下：2.2.1首次制备过程1）取一组新的参比片和载物片，用洁净脱脂棉和镜头纸，沾少许光谱纯丙酮，单方向地轻轻擦拭，用高纯氮气吹干，待用。2）在载物片上用涂料线棒涂布，一般取湿漆膜20μm左右的线棒。按照涂料的标准工艺规范烘干。与其参比片放在一起，作为一组，做好标记。2.2.2再次制备过程用已有涂层的载物片再次制备新的涂层时，采取以下步骤：1）取参比片涂布和已有涂层的载物片上相同品种的涂料，按照涂料的标准工艺规范烘干，待用。2）把上述带有同一品种涂层的载物片和参比片，同时浸入溶剂中24h，去除涂膜。3）再浸入丙酮溶剂中24h，清洗，晾干。4）在载物片上用涂料线棒涂布，一般取湿漆膜20μm左右的线棒。按照涂料的标准工艺规范烘干。与其参比片放在一起，作为一组，做好标记。载物片探测器detector光栅参比片反射镜M1反射镜M2分束镜BM1分束镜BM2光源detector3.3测试步骤1）将准备好的带有涂层的载物片放置在测试光路中，将与其一组的参比片置入参考光路中。2）物光束和参考光束都经过单色器并被相同的色散，然后通过出口狭缝聚焦到探测器上。3）通过单色器得到透过率光谱，如图2。图2涂层透过率光谱图4结果与讨论利用式（3）计算得到涂层吸收系数α(λ)，与图2的测试结果相对应的吸收系数见图3。在一定的测试波段范围内，那么涂层吸收系数α(λ)应当取各波段范围中的最小值。图3涂层吸收系数4.1光谱模型的建立利用式（2），得：)()(lnLsT（4）对于图2的涂层，在200nm~300nm波段内，指定透过率为10%，其涂层吸收系数为α(λ)=2100（由图3）可。根据（4）得到，涂层厚度Ls=10.96m。同理，如果指定同波段透过率为1%，则可以得到所需涂层厚度为Ls=21.9m。如果已知某种材料特定波长的吸收系数，可建立膜厚（根据涂装生产的特点，精度设为2μm）、入射波长与涂层UV穿透率间关系的光谱模型，如图4。4.2光谱模型的应用-0.10.10.30.50.70.91.1280287294301308315322329336343350357364371378385392399406413420427434441448455462469476483490497504511518525532539546553560567574581588595nm%TGrenzwert12µm16µm19µm21µm24µm27µm28µm图4UV穿透率的光谱模型及技术要求图4为某涂层UV穿透率的光谱模型，折线是某标准中规定的涂层UV穿透率的技术要求。对于290nm～380nm波长范围内的光波，涂层的UV穿透率技术要求为≤0.1%；380nm～400nm波长范围内的光波，UV穿透率技术要求为≤0.5%；400nm～450nm波长范围内的光波，UV穿透率技术要求为≤1%。利用透射光谱法建立的光谱模型，结合材料的技术要求，我们可以预先筛选材料配方，进行涂层厚度设计，快速判定涂层耐候性优劣。5结论通过涂层UV穿透率的检测，得到了涂层的透射光谱图，建立了涂层UV穿透率的光谱模型，得到指定穿透率下的涂层厚度，一般说来，这就是新涂料的涂层设计和涂层工艺设计的重要参数。通过测试汽车涂层对光的吸收能力来探测整个涂膜的耐候性。结果表明，透射光谱法提供了一种快速判断涂层耐候性优劣的检测手段，为涂层的设计提供了一种有效的依据。涂层UV穿透率的测试简化了涂料开发与工艺设计的繁杂步骤，可节约大量实验费用和原材料。参考文献：1.吴涛。汽车涂装的国内外发展动态[J]。汽车工艺与材料，2006，9。2.刘树文，蒋祖华，祁黎。汽车非金属材料的试验室加速老化和户外自然老化[J]。广东塑料，2005，5。3.朱苏文，何瑰，李展。玉米籽粒直链淀粉含量的近红外透射光谱无损检测[J]。中国粮油学报，2007，vol.22(3):144-149.4.李国平，罗运军。紫外光辐照下以PAMAM树形分子为模板制备Ag纳米族及光致发光性能研究[J]。感光科学与光化学，2007，vol.25（4）：249-256。5.陶坤宇,孙金霞，付森，等。干涉光谱法的氢气遥测系统设计[J]。光学精密工程，2007，vol.15(5):623-627.6.张福勤，黄启忠，黄伯云，等。C/C复合材料结构显微镜激光喇曼光谱研究[J]。复合材料学报，2003，vol.20(3):113-117.7.黄世华。激光光谱学原理和方法[M]。吉林大学出版社，2001。