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飞机用环保型防滑涂料的制备及性能研究

2022-04-26左娟娟姜秀杰冷晓飞陈从棕

合成材料老化与应用 2022年2期
关键词:耐磨性漆膜涂料

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。

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