飞机用环保型防滑涂料的制备及性能研究

左娟娟，姜秀杰，白 杨，冷晓飞，陈从棕

(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)

防滑涂料作为一种表面处理功能性材料，能够改进基材表面的摩擦性，减少基材表面人员、车辆和其他物体的滑动性，避免人员受伤及财产损失，并提高踩踏舒适性［1-2］。防滑涂料主要由成膜物质、溶剂、颜料、填料以及助剂组成，但不同于一般涂料，其中加入了起到防滑作用的耐磨颗粒［3］。

在国外，防滑涂料主要应用于飞机的内部走道、上机翼紧急逃生通道、货舱地板等部位，使用范围仅次于蒙皮涂料及通用底漆［4］，且已经形成成熟的产品，如PPG、AKzoNobel、Sherwin-Williams、Chemsol等公司的飞机防滑涂料产品，有单组分、双组分、三组分等类型，涵盖醇酸、环氧、聚氨酯等树脂体系。

目前，国内防滑涂料大多应用于船舶［5］，尤其是甲板上会大量使用防滑涂料，在航空领域内使用需求不强，研究和应用基本属于空白［6］。飞机防滑涂料在使用过程中可能面临气流冲刷、基材形变、温度骤变、液压油渗漏等恶劣环境，易导致涂层出现漆膜开裂、防滑颗粒脱落等问题。为了解决以上问题，本实验研制了一种环保型飞机防滑涂料，该涂料以无机有机混制的轻质型砂为防滑颗粒，不仅具有较低的涂层面密度，可有效减轻机体负重进而节约燃料费用，还具有优异的防滑性、耐磨性、耐介质性以及环保性。

1 实验部分

1.1 主要原材料

丙烯酸树脂（工业品，东莞）；聚酯树脂（工业品，上海）；脂肪族异氰酸酯固化剂（工业品，烟台）；钛白粉（工业品，杜邦）；阻燃剂（工业品，云南）；助剂（工业品，江苏）；稀释剂（工业品，江苏、湖南）；防滑颗粒（工业品，江苏）。

1.2 主要仪器设备

扫描电子显微镜：TM3030Plus，日本日立公司；磨耗仪：Taber5155，美国Taber公司；高低温恒温试验箱：WD701，上海增达环境试验设备有限公司；摩擦系数测试仪：MXD-02，济南兰光机电技术有限公司；鼓风干燥箱：DHG-9075A，上海一恒科技有限公司；高速分散机：MASTERMIX，耐驰（上海）机械仪器有限公司；砂磨机：LMZ-0.5，耐驰（上海）机械仪器有限公司。

1.3 实验过程

1.3.1 防滑涂料的制备

防滑涂料由A、B、C三组分组成，其中，A组分为丙烯酸树脂和聚酯树脂与颜填料、助剂等的混合物，配方见表1；B组分为脂肪族异氰酸酯固化剂；C组分为无机、有机材料混制的型砂。

表1 防滑涂料A组分配方Table 1 Formulation of anti-slip coating A component

A组分的制备过程：在干净的调漆罐内，将丙烯酸树脂和聚酯树脂进行充分搅拌，然后依次加入触变剂、颜料、填料、阻燃剂、抗氧剂、分散剂等助剂和部分稀释剂。在高速搅拌分散机上预分散20~30 min后，用耐驰棒销式砂磨机研磨至细度小于40μm，加入其他剩余物料，充分搅拌均匀后，调整不挥发物含量在60%~65%，过滤即为A组分。

1.3.2 基材处理及试板制备

基材处理：本实验选用的试板为2024-T3铝板，首先对铝板进行碱洗、酸洗，除去铝板表面油污及氧化皮，然后用阿洛丁1200S对其表面进行氧化处理，最后在低于54℃的环境下烘干即可，基材尺寸要求见表2。

表2 基材尺寸Table 2 Substrate size

试板制备：在涂覆防滑涂料之前，需要在试板上先涂覆一道防腐蚀环氧底漆，底漆干膜厚度为15~25 μm，底漆固化6~24 h后再涂覆防滑涂层。防滑涂料可采用刷涂、辊涂、喷涂的施工方式，本实验采用大口径喷枪进行有气喷涂，喷枪口径2~3 mm，工作压力0.6~0.8 MPa。防滑涂料涂装前将基料A组分充分搅拌均匀，按A、B、C组分质量比7：1：1混合，搅拌均匀后施工，单道干膜厚度60~120 μm，表干后可涂装下一道，共涂装2~3道，至干膜厚度150~250 μm。

1.4 涂层性能测试方法

1.4.1 滑动摩擦系数测试

按照GB/T 10006-2021要求测试防滑涂层和橡胶表面在干、水、油状态下的滑动摩擦系数，采用MXD-02摩擦系数测试仪进行测试，重点考察水、油等介质类型及防滑颗粒的添加量对涂层滑动摩擦系数的影响。

1.4.2 耐磨性测试

按照ASTM D4060-19规定采用Taber磨耗仪测定涂层的耐磨性。使用CS-10号橡胶砂轮，配重1 kg。本实验的耐磨性以经过5000r的摩擦循环后漆膜的质量损耗来表示。

1.4.3 耐介质性测试

按照GB/T 9274-1988要求，测试漆膜的耐介质性能，介质主要有RP-3航空煤油和15号航空液压油，观察漆膜状态以及铅笔硬度变化情况。

1.4.4 耐高低温性

按照ASTM D522-17要求测试漆膜的耐高低温性，将试验样板分别放于-51℃和93℃条件下30min后，在同等温度条件下的5cm直径轴上进行180°弯曲试验，漆膜应无裂纹、无脱落、附着力损失或其它漆膜缺陷。

1.4.5 VOC的测定

参考美国EPA Method 24，挥发物含量的测定方法依据ASTM D2369-20，水含量的测定方法依据ASTM D3792-16，豁免化合物的测定方法依据ASTM D4457-14。VOC的计算方法按照ASTM D3960-05。

1.4.6 显微组织

采用TM3030Plus型扫描电子显微镜观察涂层表面的微观形貌特征。图1为加入10%防滑颗粒制备得到的防滑涂层表面微观形貌。从图1中可以看出，涂层虽有防滑颗粒造成的粗糙纹理，但涂层表面相对平整光滑。

图1 防滑涂层表面的扫描电镜照片Fig.1 SEM images of the non-skid coating

2 结果与讨论

2.1 树脂的筛选

树脂是防滑涂料的核心，对防滑涂料的性能有重大影响，针对飞机在使用过程中可能出现的防滑涂层漆膜开裂、防滑颗粒脱落等问题，本实验在设计配方时选用耐候性好的丙烯酸树脂作为主体树脂，辅以一定比例的聚酯树脂，适当提高树脂体系的交联密度，满足防滑涂层强度、柔韧性、耐磨性与耐液压油性能的平衡。主要考察了不同树脂类型对漆膜性能的影响，具体结果见表3。

表3 不同树脂对漆膜性能的影响Table 3 The influence of different resins on the performance of paint film

从表3的性能对比结果可以看出，丙烯酸树脂A具有较高的硬度，柔韧性略差，聚酯树脂B和C具有较好的柔韧性和耐磨性，但聚酯树脂C的耐介质性能略差，干燥时间过长。因此最佳树脂体系选用丙烯酸树脂A与聚酯树脂B按照6:4的比例进行混拼，得到的漆膜具有优异的耐候性、柔韧性、耐磨性、耐介质性和耐高低温性。

2.2 防滑颗粒的筛选

防滑涂料的防滑效果主要是通过防滑颗粒来实现的，防滑颗粒能显著增大防滑涂料的摩擦性能，提高其耐磨性，延长涂料的使用寿命［7］。目前防滑涂料选用的防滑粒料大部分是无机物，如金刚砂、石英砂等，这些防滑粒料硬度高、密度大，易划伤机体，不能满足飞机上的防滑要求。因此，本实验要优选出一种具有高耐磨、高防滑性的轻质防滑粒料，既要满足干、湿、油态下高摩擦系数的要求，又要与所选树脂具有良好的配套性，着重考察了防滑颗粒种类、粒径以及添加量对体系性能的影响，表4是选用的防滑颗粒性能对比。

表4 防滑颗粒性能对比Table 4 Non-skid particle performance comparison

从表4可以看出，选用性能最优的型砂作为防滑颗粒，不仅防滑涂层的耐磨性、防滑性、耐介质性等理化性能满足要求，且具有较好的施工性能，可进行喷涂施工。筛选了一种改性的无机、有机混制型砂作为防滑颗粒，该型砂具有低密度、高耐磨性、优异的阻燃性等特性，与防滑涂料树脂体系相容性好，与涂层有较强的结合力，不易从涂膜中脱落；因其较低的密度，施工时颗粒不易沉降，施工后的涂层质地更加均匀，涂层面密度低，有效降低了机体负重。

同时，本实验还研究了防滑颗粒粒径对防滑涂层滑动摩擦系数的影响，实验结果如图2所示。

图2 防滑颗粒粒径大小对涂层滑动摩擦系数的影响Fig.2 The influence of the size of the non-skid particles on the sliding friction coefficient of the coating

由于防滑颗粒粒径过大，喷涂施工过程中易堵塞喷枪，施工后涂层中防滑颗粒分布不均匀，因此，本实验只对粒径在96~380 μm的防滑颗粒进行了对比试验。由图2可以看出，随着防滑颗粒粒径的减小，涂层滑动摩擦系数也逐渐降低，因此，本实验选用150~180 μm的防滑颗粒，以满足平滑型防滑涂料对滑动摩擦系数的要求。

同时，本实验还研究了防滑颗粒的添加量对防滑涂层滑动摩擦系数的影响，结果如图3所示。

图3 防滑颗粒添加量对滑动摩擦系数的影响Fig.3 Influence of content of non-skid particles on the sliding friction coefficient

由图3可以看出，随着防滑颗粒加入量的不断增大，涂层的滑动摩擦系数先是急剧增大，随后增长平缓，在防滑颗粒加入量大于5%后，其加入量对涂层滑动摩擦系数的影响不明显，防滑颗粒加入量小于10%的涂层防滑颗粒过于稀疏，表面状态较差，综合考虑防滑颗粒对防滑涂料施工、涂层表面状态等的影响，确定防滑颗粒的加入量为10%。

2.3 无毒或低毒溶剂的选择

溶剂对涂料的粘度、润湿性、附着力均有一定的调节作用［8］。但是，在施工过程中，这些释放出的溶剂是破坏环境和危害人体健康的主要因素，因此，低毒或无毒、对环境污染少的绿色环保涂料已经成为研究的重点。

豁免溶剂不参加大气光化学反应，对环境和人体不构成危害，用豁免溶剂替代传统的有毒有害溶剂，在不影响产品性能的同时兼顾了环保的要求，是目前降低溶剂型涂料VOC切实有效的方法［9］。醋酸叔丁酯（TBAC）作为一种低毒性溶剂，被美国国家环保局（EPA）列为免除受限制的挥发性溶剂和非有害空气污染物，它具有独特的分子结构，空间位阻大，与其它溶剂混合使用可大大改善溶剂的相溶性能。同时，作为环境友好型溶剂，可以替代甲苯、二甲苯、酮类和碳氢化合物等，目前已广泛应用于涂料领域。因此，本实验着重考察了防滑涂料体系中TBAC与PMA混合比例对VOC的影响，具体数据如图4所示。

图4 TBAC与PMA混合比例对体系VOC的影响Fig.4 The influence of the mixing ratio of TBAC and PMA on the VOC of the system

通过试验对比发现，随着TBAC含量的增加，体系的VOC逐渐降低，但经济成本也随之增加，因此，在兼顾经济、环保和施工的原则下，本实验选择的TBAC与PMA混合比例为1：2，此时体系的VOC为402g/L，满足VOC<420g/L指标要求，并且此条件下施工状态良好，漆膜表面未见不良缺陷。

3 结论

（1）选择丙烯酸树脂和聚氨酯树脂按照6：4比例混拼的树脂体系，采用脂肪族异氰酸酯固化剂进行固化，实现防滑涂层强度与柔韧性的平衡。

（2）通过添加10%的150~180 μm改性型砂，可以显著提高涂层的摩擦性，满足飞机防滑涂料对动摩擦系数的要求。

（3）选择醋酸叔丁酯作为体系中豁免溶剂，可以有效降低VOC含量，当醋酸叔丁酯与PMA比例为1：2时，体系VOC为402g/L，此时，漆膜状态良好，既经济又环保。