1、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
2、。 ，一直以来，有关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
3、映一定膜厚涂层对 295 nm 780 nm（110 -9 m）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。换了从另一个角度，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 ()，()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（）减小到了 I（） 。根据 Beer-Lambert 定律有 （7） ：（1）LeI)(0)(吸收系数 ()标志着介质（涂层）涂层对光强的吸收能力，当 ()越大时，介质（涂层
4、）介质对光的吸收能力就越强。根据式(1)变换得： （2）LTIL)(ln)(ln1)(0其中：()为介质（涂层）涂层的吸收系数；L 为介质（涂层）涂层厚度，常用单位为微米；T()为光强透过率，常用百分数表示（%） 。由此，通过对介质（涂层）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()，得到了只与介质（涂层）性质有关的吸收系数 ()。3 试验部分3.1 测试光路设计为测量汽车涂层的吸收系数，设计了的测试光路图，如图 1 所示。图 1 测试光路原理图Lambda9 UV/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。BM 1和 BM2为 5
5、0%分束镜，M 1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，照射到有介质（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 1()，然后测量参比片的透过率，得到吸收系数 2()，由下式得到涂层的吸收系数 ()：（3）)()(21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
6、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 20 m 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 24
7、h，去除涂膜。3）再浸入丙酮溶剂中 24 h，清洗，晾干。4）在载物片上用涂料线棒涂布，一般取湿漆膜 20 m 左右的线棒。按照涂料的标准工艺规范烘干。载物片探测器detector光栅参比片反射镜M 1反射镜M 2分束镜BM 1 分束镜BM 2光源detector与其参比片放在一起，作为一组，做好标记。3.3 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，见如图 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 ()
8、，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 ()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：（4）)(lnLsT对于图 2 的涂层，在 200nm300 nm 波段内，指定透过率为 10%，其涂层吸收系数为 ()=2 100（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 2m） 、入射波长与涂层 UV 穿透率间关系的光谱模型，
9、如图 4。34.2 光谱模型的应用-0.10.10.30.50.70.91.1280 288 296 304 312 320 328 336 344 352 360 368 376 384 392 400 408 416 424 432 440 448 456 464 472 480 488 496 504 512 520 528 536 544 552 560 568 576 584 592 600nm%TGrenzwert12m16m19m21m24m27m28m图 4 UV 穿透性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
10、要求。对于 290 nm380 nm 波长范围内的光波，涂层的 UV 穿透率技术要求为0.1%；380 nm400 nm 波长范围内的光波，UV 穿透率技术要求为0.5%；400 nm450 nm 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
11、。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，同时，为生产市场营销对路的新型车辆提供了知识保障。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。
