聚氨酯/青铜-Sm2O3复合涂层的近红外吸收与发射率性能

张伟钢，徐国跃，薛连海

(1 滁州学院 材料与化学工程学院，安徽 滁州 239000；2 南京航空航天大学 材料科学与技术学院，南京 211106)



聚氨酯/青铜-Sm2O3复合涂层的近红外吸收与发射率性能

张伟钢1,2，徐国跃2，薛连海1

(1 滁州学院 材料与化学工程学院，安徽 滁州 239000；2 南京航空航天大学 材料科学与技术学院，南京 211106)

Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211106,China)

以青铜(bronze)粉与Sm2O3为复合颜料，聚氨酯(PU)为黏合剂，制备了PU/bronze-Sm2O3复合涂层。系统研究了涂层的红外发射率、近红外吸收性能及力学性能。结果表明：Sm2O3的存在可有效降低涂层对1.06μm与1.54μm近红外光的反射率，青铜粉的存在可有效降低涂层在8～14μm波段的红外发射率；通过调节青铜粉与Sm2O3质量比，涂层在8～14μm波段的红外发射率可在0.422～0.782范围内调节，涂层对1.06μm与1.54μm近红外光的反射率可分别在46.8%～65.0%和49.3%～70.7%范围内调节；所制备PU/bronze-Sm2O3复合涂层具备优良的力学性能，在不同青铜粉与Sm2O3质量比下，其附着力与耐冲击强度分别可达到1级和50kg·cm。

复合涂层；红外发射率；近红外吸收；力学性能

近红外低反射与8～14μm低发射率兼容材料在红外与激光兼容隐身领域具有重要的应用价值而受到了众多学者的广泛关注[1-4]；然而，现已报道的此类材料主要以粉体材料为主，在工程应用过程中具有制备工艺简单、施工方便、对目标外形结构不敏感等突出优点的树脂基复合涂层材料的相关报道极少[5,6]。已报道的近红外低反射与8～14μm低发射率兼容涂层主要采用铝粉来实现涂层的低发射率性能，而铝粉的抗氧化性能明显较差[7]，且金属光泽过高不利于涂层与可见光隐身的兼容[8,9]。由此可见，研制具有良好功能特性的近红外低反射与8～14μm低发射率兼容涂层具有重要的现实意义。

已有研究表明，Sm2O3作为一种稀土氧化物，由于其中Sm3+的特殊能带结构，在1.06μm与1.54μm左右的特殊近红外光波长处具有强吸收特性，可作为1.06μm与1.54μm激光吸收剂使用[10,11]。另外，青铜粉具有较高的导电性、抗氧化性和耐腐蚀性，因而通常被用作低红外发射率涂层的功能颜料[12-14]。可以推测，以青铜粉和Sm2O3为复合颜料制备的树脂基复合涂层可能在具备较低红外发射率的同时具备对1.06μm与1.54μm特殊近红外光的吸收性能，从而实现此类涂层近红外低反射与8～14μm低发射率的兼容。

相比作者已报道的PU/Al-Sm2O3复合涂层[6]，PU/bronze-Sm2O3复合涂层的优势主要体现在以下方面：其一，青铜粉的抗氧化性能要明显强于Al粉，因此以青铜粉为金属颜料制备的PU/bronze-Sm2O3复合涂层在同等条件下可具有更突出的抗氧化性能；其二，青铜粉为铜锡合金粉，其化学稳定性要明显强于Al粉，因此PU/bronze-Sm2O3复合涂层相比PU/Al-Sm2O3复合涂层可具备更好的耐海洋环境性能，从而使这种涂层有望应用到海洋装备表面上；其三，青铜粉密度要明显高于Al粉，不易漂到涂层表面，同时其金属光泽也要比Al粉低，且颜色为黄绿色，这些因素都决定了PU/bronze-Sm2O3复合涂层相比PU/Al-Sm2O3复合涂层具有更广阔的可见光兼容隐身前景。

本工作以青铜粉和Sm2O3为复合颜料，以PU为黏合剂，制备得到PU/bronze-Sm2O3复合涂层，并对涂层的微结构、红外发射率、近红外吸收性能及力学性能进行了系统研究。

1　实验

1.1原材料

黏合剂为聚氨酯(液态，固含量为70%，质量分数，下同)，颜料为青铜粉(片状，纯度为99.9%，粒径为15～25μm)和Sm2O3颗粒(纯度为99.9%，粒径为100～500nm)，所有原料均直接使用，未经预处理。

1.2涂层制备

制备PU/bronze-Sm2O3涂层前，首先进行基板(Al板)预处理：砂纸打磨→水洗→化学除油→水洗→烘干备用。随后将PU、青铜粉及Sm2O3按不同质量比(4∶2∶4, 4∶3∶3, 4∶4∶2, 4∶5∶1)混合，添加适量稀释剂调节黏度，搅拌后超声振荡10min。最后采用刮涂法将涂料涂覆于基板上，在50℃下烘干24h后进行性能测试。通过调节涂料用量来控制涂层厚度在50～60μm范围内。

1.3性能测试

采用携带积分球的UV-3600型UV-VIS-NIR分光光度计测试涂层在800～1800nm波长范围内的反射光谱。采用IR-2型红外发射率测试仪测定涂层在8～14μm波段的发射率。采用S-4800型场发射扫描电镜观察涂层的形貌及微结构。采用数显磁力测厚仪表征涂层的厚度。按照GB 1720-79方法采用QFZII附着力画圈测试仪评估涂层的附着力，按圆滚线划痕范围内的涂层完好程度进行评级，该标准将涂层附着力分为1～7个等级，1级最优，7级最差。按照GB/T 1732-93方法采用QCJ冲击强度测试仪评估涂层的耐冲击强度，让1kg的重锤从不同高度(最高为50cm)落下，砸在涂层上，通过判断涂层是否完好来确定涂层的最强耐冲击高度，最后用落锤高度与重锤质量的乘积表示涂层的耐冲击强度(kg·cm)。

2　结果与讨论

2.1PU/bronze-Sm2O3涂层的红外发射率与近红外吸收性能

图1　不同青铜粉与Sm2O3质量比的PU/bronze-Sm2O3复合涂层的近红外反射光谱Fig.1　Near-infrared reflection spectra of PU/bronze-Sm2O3composite coatings with different mass radios of bronze to Sm2O3

图1为不同青铜粉与Sm2O3质量比的PU/bronze-Sm2O3复合涂层的近红外反射光谱，不同样品中青铜粉与Sm2O3的质量比列于表1中。由图1可见，当青铜粉与Sm2O3质量比低于3∶3时，PU/bronze-Sm2O3复合涂层在1000～1700nm波段范围内具有4个明显的吸收峰。其中1095nm和1562nm处的吸收分别对应Sm3+从基态6H5/2到激发态6F9/2和6F3/2的电子跃迁过程[10]。上述吸收峰的存在表明PU/bronze-Sm2O3复合涂层具备吸收上述波长周围的特殊近红外光的能力，比如由Nd:YAG激光器发出的波长为1.06μm的激光及由拉曼频移Nd:YAG激光器或铒玻璃激光器发出的波长为1.54μm的激光。上述吸收峰的强度随着青铜粉与Sm2O3质量比的增加而明显降低，表明PU/bronze-Sm2O3复合涂层的近红外吸收性能主要来自于Sm2O3的贡献。不同青铜粉与Sm2O3质量比的PU/bronze-Sm2O3复合涂层对1.06μm与1.54μm近红外光的反射率列于表1中。由表1可见，随着青铜粉与Sm2O3质量比的增加，PU/bronze-Sm2O3复合涂层对1.06μm与1.54μm近红外光的反射率明显增大，且涂层对1.06μm与1.54μm近红外光的反射率分别可在46.8%～65.0%与49.3%～70.7%范围内进行调节。

由表1还可以看出，随着青铜粉与Sm2O3质量比的增加，PU/bronze-Sm2O3复合涂层的红外发射率明显降低，且发射率值可在0.422～0.782范围内进行调节，表明PU/bronze-Sm2O3复合涂层的低发射率性能主要来自于青铜粉的贡献。

表1　PU/bronze-Sm2O3复合涂层的近红外光

图2为PU/bronze-Sm2O3复合涂层在青铜粉与Sm2O3质量比为3∶3时的扫描电镜照片。可以看出，Sm2O3颗粒均匀分散在树脂基体中，片状青铜粉平铺在涂层中，其定向与涂层表面基本平行。基于上述

图2　青铜粉与Sm2O3质量比为3∶3时PU/bronze-Sm2O3复合涂层的SEM照片(a)表面；(b)图(a)的局部放大图；(c)断面Fig.2　SEM images of PU/bronze-Sm2O3 composite coatings of mbronze:mSm2O3=3∶3(a)surface;(b)magnified image of fig.(a);(c)cross-section

图3　青铜粉与Sm2O3质量比对PU/bronze-Sm2O3复合涂层的红外发射率及近红外吸收性能的影响(a)青铜粉与Sm2O3质量比低；(b)青铜粉与Sm2O3质量比高Fig.3　Effect of mass ratio of bronze to Sm2O3 on infrared emissivity and near-infrared (NIR) absorption property of PU/bronze-Sm2O3 composite coatings 　(a)low mass ratio of bronze to Sm2O3;(b)high mass ratio of bronze to Sm2O3

观察结果，可知不同青铜粉与Sm2O3质量比条件下PU/bronze-Sm2O3复合涂层具有如图3所示的微结构特征。

由基希霍夫定律[15]及能量守恒原则可知，对于不透明材料如树脂/金属复合涂层，发射率(ε)和反射率(r)之间存在如下关系：ε=1-r。另外，由基本光学理论可知，一种材料的电导率对其反射率具有重要影响，一般电导率越高，反射率也越高[16]。随着涂层中青铜粉与Sm2O3质量比的增加(从图3(a)到(b))，涂层的电导率增加，从而有利于涂层反射更多的远红外光，最终使涂层在8～14μm波段的红外发射率得到明显降低。相反，随着涂层中青铜粉与Sm2O3质量比的增加(从图3(a)到(b))，涂层中对近红外光起吸收作用的Sm2O3含量不断降低，导致涂层对近红外光的吸收能力明显减弱，最终使涂层对1.06μm与1.54μm近红外光的反射率明显提高。

2.2PU/bronze-Sm2O3涂层的力学性能

为评估PU/bronze-Sm2O3复合涂层与基板的黏合牢固程度及涂层的抗疲劳性能，考察了不同青铜粉与Sm2O3质量比的PU/bronze-Sm2O3复合涂层的附着力与耐冲击强度，结果如表2所示。由表2可见不同青铜粉与Sm2O3质量比下涂层的附着力与耐冲击强度分别可达到1级和50kg·cm。上述结果表明，PU/bronze-Sm2O3复合涂层具有优良的力学性能，不同青铜粉与Sm2O3质量比对涂层力学性能的影响并不敏感，这有利于实现其工程化应用。PU/bronze-Sm2O3复合涂层优良的力学性能可归因于PU树脂固有的交联内聚力及涂层与基板间的机械咬合力。

表2　PU/bronze-Sm2O3复合涂层的力学性能

3　结论

(1)以青铜粉和Sm2O3为复合颜料制备的PU/bronze-Sm2O3复合涂层，在8～14μm波段具备较低红外发射率的同时可明显降低1.06μm与1.54μm近红外光的反射率。

(2)通过调节青铜粉与Sm2O3的质量比，PU/bronze-Sm2O3复合涂层在8～14μm波段的红外发射率可在0.422～0.782范围内调节，涂层对1.06μm与1.54μm近红外光的反射率可分别在46.8%～65.0%和49.3%～70.7%范围内调节。

(3)PU/bronze-Sm2O3复合涂层具有优良的力学性能，其附着力与耐冲击强度分别可达到1级和50kg·cm，有望成为一种新型的具备近红外吸收性能与优良力学性能的低红外发射率涂层材料。

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Near-infrared Absorption and Infrared Emissivity Properties of Polyurethane/Bronze-Sm2O3Composite Coatings

ZHANG Wei-gang1,2,XU Guo-yue2,XUE Lian-hai1

(1 School of Material Science Chemical Engineering,Chuzhou University,Chuzhou 239000,Anhui,China;2 College of Materials Science & Technology,

Polyurethane (PU)/bronze-Sm2O3composite coatings were prepared through a simple and convenient process by using bronze-Sm2O3as the pigments and PU as the adhesives, respectively. The infrared emissivity, near-infrared absorption property, and mechanical properties of as-prepared coatings were systematically investigated. The results indicate that the existence of Sm2O3can obviously decrease the near-infrared light reflectivities at 1.06μm and 1.54μm, the existence of bronze powders can effectively reduce the infrared emissivity at the wavelength of 8-14 μm. By adjusting the mass ratio of bronze to Sm2O3, the infrared emissivity at the wavelength of 8-14μm can be tuned from 0.422 to 0.782, and the reflectivities at 1.06μm and 1.54μm can be tuned from 46.8% to 65.0% and 49.3% to 70.7%, respectively. In addition, the coatings have good mechanical properties, the adhesion and impact strength of the coatings with different mass ratios of bronze to Sm2O3can reach grade 1 and 50kg·cm, respectively.

composite coating;infrared emissivity;near-infrared absorption;mechanical property

国家自然科学基金资助项目(51171199)

2014-07-11；

2015-07-24

张艳 (1965-)，女，博士，研究方向为材料的腐蚀与防护，联系地址：辽宁省沈阳市沈阳经济技术开发区沈辽西路111号沈阳工业大学理学院(110870)，E-mail:zhangy0909@126.com

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.01.018

TN213

A

1001-4381(2016)01-0115-05