环氧-聚氨酯涂料在复合材料上的涂装研究

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(海洋化工研究院有限公司，海洋涂料国家重点实验室，山东青岛 266071)

环氧-聚氨酯涂料在复合材料上的涂装研究

王黎，阮润琦，郭年华，薛玉华，步明升，汪威

(海洋化工研究院有限公司，海洋涂料国家重点实验室，山东青岛 266071)

通过拉拔附着力试验，确定了环氧底漆和聚氨酯透明漆在碳纤维复合基材上采用湿-湿涂装工艺，漆膜与基材具有良好的附着力，同时具有优良的层间附着力，满足使用要求。

碳纤维复材，环氧底漆，聚氨酯透明漆，涂装工艺

碳纤维复合材料由碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合制成的纤维增强材料，具有低密度、高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀等诸多优点，广泛用于现代工业制造领域[1-8]。在航空航天领域，用于制造发动机风扇叶片，使发动机具有更高的涵道比、更低的质量，具有高效率、低噪声、较低燃油消耗率、抗颤振等优势[9-10]；随着碳纤维材料的不断改进和功能优化，其与铝合金、钛合金、合金钢一起成为飞机机体的四大先进结构材料，在飞机制造中的应用比例不断增加，小型商务飞机和直升飞机上的使用量已占70%～80%，军用飞机上占30%～40%，大型客机上占15%～50%[1-3]；以碳纤维复合材料制造的空间反射镜，具有高精度和良好的稳定性，是空间光学系统大型化和轻量化发展的优选材料[11-12]；以碳纤维复合材料为结构材料的空间太阳能电池阵，能经受轨道飞行中日照期和星蚀期的环境温度交替变化，及重返大气层时的高温环境[13]。此外，碳纤维复合材料在船舶制造、海上能源开发、海洋工程修复等领域发挥着越来越大的作用，如在舰船的上层建筑中使用碳纤维复合材料不仅可以减轻船体的重量，而且通过在夹层中嵌入有滤波功能的频率选择层，就可以在预定的频率下发射和接受电磁波，从而屏蔽敌方的雷达电磁波；在推进系统上可用作螺旋桨和推进轴系，减轻船体的振动效应和噪声等[14]。

随着碳纤维材料应用的广泛性，碳纤维保护涂层及其涂装工艺的研究和应用也越来越多。如李霞等研制的耐高温隔热涂料——环氧改性有机硅涂料，用于保护碳纤维复合材料制备的发射筒在受到高温燃气流的冲刷时免于受损[15]；岳海亮等通过剥离实验研究了不同表面处理方式对聚氨酯弹性体与碳纤维复合材料层合板界面粘接强度的影响[16]；熊道武等研究了碳纤维复合材料的涂装烘烤工艺等[17]。

本文通过拉拔附着力试验，对比了湿-湿涂装和干膜涂装两种涂装方式对漆膜层间附着力的影响，确定了有色环氧底漆、无色环氧底漆和聚氨酯透明漆在碳纤维复材上的涂装工艺。

1 复材与涂料

1.1 复合材料的涂装要求

所涂装的复合材料由两部分组成，主体部分为碳纤维复合材料，侧边包覆金属复合材料；要求在碳纤维复合材料部分涂覆有色底漆，在金属复合材料部分涂覆无色透明底漆，整体涂覆罩光清漆，涂层系统厚度小于60μm；涂覆方式为常规空气喷涂；由于在使用过程中受到外力冲击，要求漆膜具有良好的抗冲性能、打磨性能、层间附着力及干燥性能，可以在室温和加热方式下干燥固化，便于修补。

1.2 基材处理

由于复合材料表面有一层脱模剂，在涂装前需对表面进行处理，先对表面进行清洗，再用300目以上砂纸对表面进行彻底打磨，最后用乙醇擦拭干净。

1.3 涂料应用说明

试验中以未包边的碳纤维复材平板为样板，分两种情况：(1)碳纤维复材和金属复材临界部分的涂层体系为有色底漆+无色透明底漆+罩光清漆，(2)碳纤维复材其它部分为有色底漆+罩光清漆。

根据材料的结构特点，底漆选用环氧底漆，包括有色环氧底漆和无色环氧底漆；罩光清漆选用聚氨酯透明漆。环氧底漆的树脂体系为环氧树脂(NPES-901和E-44)、聚氨酯改性环氧树脂(自合成)为基料，和改性胺、聚酰胺固化剂组成；环氧树脂分子链中含有羟基、醚基团(-C-O-C-)等极性基团，可与基材表面形成氢键，使涂膜在基材表面具有很高的粘附力，同时，环氧树脂在固化过程中是直接加成反应或树脂分子中环氧基的开环聚合反应，没有水或其它挥发性副产物放出，收缩性低，产生的内应力小，有助于提高树脂的附着力；聚氨酯改性环氧树脂具有网状结构，稳定性好，有很好的柔韧性和延展性，对漆膜有很好的增韧效果，提高漆膜的抗冲击性能和拉伸强度；配合韧性、快干、防腐的胺类固化剂，该树脂体系组成的涂料适合于在复合材料、金属基材上的应用。

有色环氧底漆和无色环氧底漆的区别主要在于颜填料、助剂、颜基比，有色环氧底漆涂覆在多孔的复材表面，所用颜填料具有填充效果好、遮盖力高的特点，颜基比60%～70%；无色环氧底漆，填料采用遮盖力小的打磨粉料，颜基比70%～80%；助剂均不用硅氟类的助剂，减少对层间附着的影响。

聚氨酯透明漆，由耐候性好、保光保色性能好的长链脂肪族聚酯树脂和聚氨酯固化剂组成树脂体系，具有优异的柔韧性、抗冲击、耐高低温冲击等性能；在不影响光泽和漆膜透明度的情况下添加了无遮盖力的易打磨粉料和树脂，提高漆膜的打磨性，便于漆膜的修补和重涂。

有色环氧底漆、无色环氧底漆和聚氨酯透明漆在马口铁板上的漆膜性能如表1所示。

表1 漆膜性能Table 1 Film performance

1.4 拉拔附着力测试

通过拉拔附着力测试对漆膜附着力的情况进行试验。拉拔仪为美国狄夫斯高 (DeFelsko)拉脱法附着力测试仪(PosiTest® Pull-Off Adhesion Tester)；铝锭柱子的直径为20mm；胶为改性丙烯酸酯胶黏剂302胶，市售。试验过程：将被测试板表面打磨，用乙醇擦拭干净，将铝锭柱子用302胶粘在试板上，室温放置24h，用锐利的刀子延铝柱的周线，切透固化了的胶和涂层直至底材，然后用拉拔仪进行测试。

2 在复合材料上的涂装工艺

2.1 在碳纤维复材平板上的涂装工艺比较

涂装采用湿-湿涂装和干膜涂装，拉拔附着力测试，对比两种涂装工艺对层间附着力的影响。湿-湿涂装即在表干状态下，喷涂第二道漆；干膜涂装即第一道漆实干后，细砂纸打磨，然后喷涂第二道漆。

样板A涂装过程如图1所示，其拉拔试验结果如图2所示；样板B为干膜涂装，其涂装过程如图3所示，拉拔试验结果如图4所示。

图1 样板A涂装过程Fig.1 The coating process of sample A

图2 样板A拉拔附着力试验Fig.2 Pull-Off Adhesion test of sample A

结合图1、图2可以看出，有色环氧底漆+聚氨酯透明漆不管是湿-湿涂装(A-1)还是干膜涂装(A-2)，在拉拔试验中都是有色环氧底漆从基材上完全拉起，说明有色环氧底漆与聚氨酯透明漆层间附着良好，两种涂装方式对其层间附着没有明显影响。有色环氧底漆+无色环氧底漆(A-3)(湿-湿涂装)在做拉拔试验时，从胶断开，没有漆膜层间断裂；在A-4区域，有色环氧底漆+无色环氧底漆为湿-湿涂装，无色环氧底漆+聚氨酯透明漆为干膜涂装，拉拔试验拉拔起部分底漆，白色部分为胶，没有明显涂层间分离面。

图3 样板B涂装过程Fig.3 The coating process of sample B

图4 样板B拉拔附着力试验Fig.4 Pull-Off Adhesion test of sample B

从图3、图4看出，B-2和B-3区域拉拔试验从涂层间断开，用细砂纸打磨基材上的断面，有红色粉末，说明漆膜是从有色环氧底漆与无色环氧底漆层间断开；并且在用小刀切铝柱周线时，涂层有明显的断层；说明干膜涂装不利于有色环氧底漆和无色环氧底漆的层间契合。

通过试验对比，发现聚氨酯透明漆与环氧底漆在湿-湿涂装和干膜涂装两种涂装方式下均具有较好的层间附着力；而湿-湿涂装更有利于有色环氧底漆与无色环氧底漆的漆膜层间契合。

2.2 涂装工艺的确定

采用湿-湿涂装工艺，减少涂装时间间隔，通过样板C试验对湿-湿涂装进行确定，样板C涂装过程如图5所示，拉拔试验结果如图6所示。从图中可以看到，有色环氧底漆+无色环氧底漆(C-1)，断裂面在无色环氧底漆和胶之间，有色环氧底漆与无色环氧底漆没有明显断裂面，说明在湿-湿涂装情况下，有色环氧底漆与无色环氧底漆有良好的层间附着力；有色环氧底漆+聚氨酯透明漆(C-3)，在拉拔试验中，除右侧两个铝柱是胶与聚氨酯透明漆断开外，其余6个铝柱均是底漆与基材分离，说明聚氨酯透明漆在打磨过的环氧底漆上附着良好，没有分层等缺陷。

图5 样板C涂装过程Fig.5 The coating process of sample C

图6 样板C拉拔附着力试验Fig.6 Pull-Off Adhesion test of sample C

通过试验，确定在碳纤维复材平板上的涂装工艺如下：(1)清洗、打磨复材平板备用；(2)喷涂有色环氧底漆，厚度(20～25)μm，室温下放置(1～2)h；(3)喷涂无色环氧底漆，厚度(20～25)μm，室温下放置(16～17)h，用300目以上的砂纸打磨，乙醇擦拭干净，喷涂聚氨酯透明漆；或者室温下放置(1～2)h后，放置在60℃的烘箱中30min，取出，冷却至室温，用300目以上的砂纸打磨，乙醇擦拭干净，喷涂聚氨酯透明漆，厚度(20～25)μm。

3 结语

根据复合材料的组成特点(碳纤维复合材料，侧边金属复材包边)和涂装要求，确定了涂料种类为有色环氧底漆、无色环氧底漆和聚氨酯透明漆；通过拉拔附着力测试，对比了湿-湿涂装和干膜涂装两种涂装方式对漆膜层间附着力的影响，确定了涂料在复材上的涂装工艺为：先喷涂有色环氧底漆，室温放置1h～2h，再喷涂无色环氧底漆，可在室温放置17h后，打磨，涂装聚氨酯透明漆，或者室温放置1h～2h后，置于60℃烘箱中30min，冷却至室温打磨，再喷涂聚氨酯透明漆。该涂装工艺有利于涂层间的良好契合，干膜具有良好的层间附着力。

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ApplicationofEpoxyPrimerandPolyurethaneCoatingonCarbonFiberComposite

WANG Li，RUAN Run-qi，GUO Nian-hua，XUE Yu-hua，BU Ming-sheng，WANG Wei

(Marine Chemicals Research Institute，State Key Laboratory of Marine Coatings，Qingdao 266071，Shandong，China)

Epoxy primer and polyurethane transparent paint coated on the carbon fiber composite material，by comparing the pull-off adhesion，indicating that wet-wet coating is good for the adhesion between layers，and meet the requirements.

carbon fiber composite material，epoxy primer，polyurethane transparent paint，coating process

TQ 613.3