涂层失效问题，你遇到了吗

      涂料经过涂装施工成为涂层，涂层经过干燥或交联固化后发挥其保护、装饰和功能性作用。在涂装后，涂层有时会出现缺陷甚至失效现象，如粉化、失光、褪色、脱落等现象。若这些涂层衰减处于涂层保质期内，或其未对涂层的保护、功能性作用造成本质影响，则此涂层质量的降低属于涂层质量的正常递减。但若涂层在各种因素的作用下，在物理化学和机械性能方面出现不可逆的变化，即涂层性能被明显破坏，则称之为涂层的失效。
      涂层失效的原因很多，一般归咎于四个主要的方面：涂料施工不当，涂料本身有质量缺陷，涂料品种选择不当，涂层服役环境苛刻等。另外，除以上宏观原因，涂层失效还有着更深层次、更本质的失效原理和失效模式。本文将对涂层失效的现象及原理、涂层失效的分析方法进行深入解析。
一.涂层失效的现象及原理
      1. 开裂、脱落现象

Figure 1-1 涂层的开裂、脱落现象

      涂层发生开裂、脱落现象是涂层失效常见的表现形式，如Figure 1-1所示。原理：交联固化后的涂层可视为一种“粘弹性”固体，当受到外界应力时，会发生形变来消除应力。常见的形变情形有：涂层在一定温度和湿度下的膨胀、收缩，基材受力引起的振动、冲击等。Figure 1-2所示为涂层中树脂的应力-应变曲线：A为屈服点，A点以前为弹性区域（可恢复原样），A点以后为永久变形区域（不可恢复原样）。

Figure1-2 涂层中树脂的应力-应变曲线

      如应用于木器漆上的涂层，由于温度和湿度的变化会发生膨胀和收缩。如果膨胀/收缩力发生在该涂层应力-应变曲线上的屈服点之前，涂层不会发生不可逆形变而导致失效；如果膨胀/收缩力发生在应力-应变曲线上的屈服点之后，则涂层会通过以下两种方式进行应力消除：(1) 涂层与基材之间附着力良好，发生开裂现象；(2) 涂层与基材之间附着力较差，发生脱落分层现象。
      如果涂层基材是底漆，则底漆根据自己的应力-应变行为，可能会发生面漆开裂、面漆与底漆脱落分开、底漆从基材上剥离等现象。

      2. 化学腐蚀现象 

Figure 2 涂层的化学腐蚀现象

      化学腐蚀也可认为是作用于涂层上的一种应力，如Figure 2所示，其作用原理可解释如下：若涂层中树脂主要含有碳碳单键、醚键等化学键，则其耐化学侵蚀性能就相对稳定，如酚醛树脂、乙烯基树脂。若涂层中树脂含有羟基、羧酸基、酯基、胺基和酰胺基等基团，则其极易受到酸、碱和氧化剂的侵蚀，如醇酸树脂则易在碱性潮湿环境中会迅速发生水解而失效。有些颜料对酸和碱也很敏感。如铝粉，在碱性较强的环境中，会很快发生变质失效。

      3. 黄变、粉化现象

Figure 3 涂层的黄变、粉化现象

      涂层的黄变、粉化现象一般是由涂层的应力老化引起。应力老化是指涂层中树脂在光（主要是紫外光）、热等气候因素的作用下发生高分子链的断裂和降解的情况，如芳香族聚氨酯可能会发生黄变，环氧树脂可能会粉化。

      4. 起泡现象

Figure 4 涂层的起泡现象

      涂层起泡包括渗透起泡和电渗起泡，一般指的是水分、离子等在浓度梯度或电势梯度的作用下渗透到涂层内部，导致涂层内基材腐蚀或涂层脱落、起泡等现象。涂层的起泡现象一般发生在涂层有针孔缺陷或服役环境严苛的情况下，如海边、高温潮湿的环境等。
      二.涂层失效的分析方法
      涂层失效的分析方法包括实地考察、仪器分析、模拟实验等。
      实地考察一般是考察涂层的服役环境（温度、湿度、地点）、失效现象、失效部位，然后针对失效涂层进行取样等，最后根据综合信息判断失效原因，多数情况下还要结合仪器分析及模拟实验推断失效原因。可用于研究涂层失效的仪器分析手段有很多，如FTIR、SEM-EDS、GCMS、DSC等，分析工具的选择要根据样品的特性以及失效现象来确定。
      1. FTIR
      FTIR在失效分析中的应用非常广泛，可进行污染物的检测、涂层中树脂种类及填料种类的鉴定、树脂固化程度的鉴定等，还可将从供应商处获得的已知涂料样品信息与待测样品信息进行对比，判断所用涂料种类是否正确等。
      2. SEM-EDS
      SEM-EDS可以在高的放大倍数和大的景深条件下对样品进行表观形貌观测和元素分析。表面形貌观测可以发现很多涂膜缺陷，如点蚀、异物、气泡、涂层致密度等；正常部位和失效部位元素信息的对比，可以帮助找到失效原因。
      3. GCMS
      GCMS可以对失效涂层的液体留样进行分析，判断涂料中的溶剂类型，判断失效是否是由于稀释剂的配伍不当引起。如无液体样品，可以对固体样品进行顶空GCMS分析，检验涂膜中残留的溶剂。
      4. DSC
      DSC可用于交联反应的动力学研究和热塑性涂料的玻璃化转变温度的确定，从而考察涂料的相对固化程度。如正常样品和失效样品在同等条件下进行DSC分析，若失效样品的玻璃化转变温度低于正常样品，则可说明失效样品可能是没有充分固化。
      模拟实验是根据失效现象和失效部位，针对性模拟涂层在服役环境下的性能，以期找出失效原因。涂层失效分析的工具和方法还有很多，并不局限于以上3，实际进行涂料失效分析时，思路需开阔，根据样品的个性化差异选择适合的分析方法。
      三.涂层失效案例
      案例背景: 一个涂有白色涂料的金属板，局部出现了涂料从金属基材脱落的现象，需要找到涂料脱落的原因。
      案例分析: 通过对失效样品进行观察发现，脱落涂层的背面颜色较暗，且脱落的面积较大。而正常样品的涂层颜色很白，且涂层与基材的附着力较好。
      解决方案：针对“失效样品”与“正常样品”进行对比分析。
    （1）对失效样品脱落部位的背面和正常样品涂层的背面进行FTIR分析，两者无明显差异，排除脱落部位有明显污染物的可能性。
    （2）对失效样品和正常样品同时进行SEM-EDS分析，发现失效样品的氧元素和铁元素的含量比正常样品都明显偏高，结合失效部位的颜色，判断涂层失效是由金属基材的锈蚀引起。

      基于涂层失效的表现多样性和原因复杂性，牵扯到涂料、施工、表面处理等方面，分析和解决问题的难度较大，所以仅仅依靠涂料工程师根据涂料的施工、使用环境等角度进行涂层失效原因的判断是不够的，借助于仪器分析对失效涂层进行分析来判断失效原因是非常必要的。

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