轻质耐磨防滑涂料的制备及其性能研究

2022-06-16陈从棕冷晓飞姜秀杰左娟娟

涂料工业 2022年5期

陈从棕,冷晓飞,姜秀杰,左娟娟,白杨

(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）

在解决防滑问题的多种方式中，涂装防滑涂料是简单且行之有效的措施。防滑涂料作为一种功能性材料，能提高通道底材表面防滑性能，防止在其表面作业人员、行驶车辆和其他物件滑动，减少意外事故的发生，避免人员受伤及财产损失[1-3]。与防滑橡胶板、金属压花等防滑方式相比，防滑涂料具有质轻、耐腐蚀性好、防护性能好、色彩丰富、易修补等优点，使用场所不受场地限制，且防滑涂料的施工工艺简便、稳定可靠[4]。据MarketsandMarkets 发布的一项市场报告显示，全球防滑涂料消费市场到2023年预计达到1.61 亿美元，年复合增长率为6.5%[5]，其中航空领域大型飞机是一个重要的增长点。

国外对防滑涂料的开发利用已经有很多年，最成功的应用领域是船舶，在航空领域大型飞机内部走道、上机翼紧急逃生通道、货舱地板、门槛、坡道、装载台阶、平台、梯子和踏板等也有广泛的应用，并有许多系列化的产品，如AkzoNobel 的Aeroflex HS 113F01 三组分防滑聚氨酯涂料，具有高固体分、优异的柔韧性、低表面粗糙度的特点，能与各种高固体分常用底漆配套，用于机翼和水平稳定器的上表面；PPG的Desothane®HD CA9032走道涂料，是一种高固体分聚氨酯防滑涂料，具有固化快、密度低、防滑性好的特点，可滚涂施工，节省大量涂装时间，主要应用在机翼上方人行道，能在-54~177 ℃范围内使用；另外PPG 的Desothane®HS 8241 军用走道涂料，是一种高耐久性聚氨酯防滑涂料，具有优异的耐流体性和防滑性、良好的光泽和保色性，主要应用于军用飞机机翼表面的紧急出口，为紧急出口走道上的乘客提供保护。

在国内，防滑涂料主要用于停车场、船舶、海上作业平台和高速路口等。在航空领域，对于有防滑需求的部位，通常做法是使用防滑垫或金属印花来处理，而这2 种方式都有着明显的缺点：防滑垫增重大、不美观，金属印花施工工艺复杂，不易维护。与这2 种工艺方式相比，使用防滑涂料具有易施工、美观、减重明显、后期维护简单等优点，而国内在航空领域防滑涂料的研究及应用基本属于空白[6-7]。

本研究针对航空领域对于防滑性、轻量化、安全性的全面需求，采用耐磨增韧的聚氨酯树脂体系制备耐磨防滑涂料，对防滑颗粒进行改性提高摩擦系数及防滑耐久性，通过轻量化防滑颗粒及低膜厚涂层的制备以期实现防滑涂层轻量化，同时提高安全性。

1 实验部分

1.1 主要原料与仪器

羟基丙烯酸树脂A、羟基丙烯酸树脂B、羟基丙烯酸树脂C：东莞宏石功能材料科技有限公司；聚酯多元醇树脂D、聚酯多元醇树脂E：柏斯托英国有限公司；炭黑（MA-100）：日本三菱化学株式会社；钛白粉（R-706）：杜邦中国集团有限公司；抗氧剂（T-501）：烟台通世化工有限公司；消泡剂（BYK-070）、流平剂（BYK-330）、分散剂（BYK-163）：毕克化学；偶联剂：南京向前化工有限公司；稀释剂：青岛海力加化学新材料有限公司；脂肪族多异氰酸酯：万华化学集团股份有限公司；反应促进剂（T-9）：赢创（美国空气化学）；改性陶粒砂（96~380 μm）：美国Carbo 公司；普通陶粒砂（250~380 μm）：郑州久泰耐火材料有限公司；阿洛丁1200：德国汉高公司；底漆（无铬高固体含量环氧底漆HDY-H06-Y010）、专用稀释剂：海洋化工研究院有限公司。以上原料均为工业级。

傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR）：Nicolet IS10，Thermo Scientific 公司；数字式三维视频显微镜：KH-8700，HIRXO 公司；拉拔仪：PosiTest AT-M，DeFelsko公司；磨耗仪：Taber5155，Taber 公司；摩擦系数测试仪：MXD-02，济南兰光机电技术有限公司；相机（单反）：60D，Canon公司。

1.2 实验过程

1.2.1 轻质耐磨防滑涂料的制备

防滑涂料由 A、B、C 共 3 个组分组成。A 组分为聚酯多元醇、羟基丙烯酸树脂与颜填料、助剂和溶剂等的混合物；B 组分含脂肪族多异氰酸酯固化剂、反应促进剂和溶剂；C组分为改性陶粒砂。配方如表1、表2所示。

按照表1 配方量，将树脂、分散剂和部分稀释剂加入物料罐，高速分散30 min；分散均匀后向物料罐继续加入颜填料、抗氧剂、消泡剂、流平剂和偶联剂，高速分散30 min；分散均匀后将分散好的物料通过砂磨机研磨，研磨至细度＜40 μm；补齐配方中剩余稀释剂的量，高速分散15 min，分散均匀后得到防滑涂料A 组分。按照表2 配方量，将脂肪族多异氰酸酯固化剂、促进剂和稀释剂加入物料罐中，高速分散15min，使分散均匀，得到防滑涂料B 组分。将A、B、C 组分按照按照一定质量比混合均匀后制得轻质耐磨防滑涂料。

表1 轻质耐磨防滑涂料A组分的配方Table 1 Formula of lightweight wear-resistant non-skid coating component A

表2 轻质耐磨防滑涂料B组分的配方Table 2 Formula of lightweight wear-resistant non-skid coating component B

1.2.2 基材处理及试板制备

（1）基材处理。

本实验选用的试板为2024-T3铝板，首先对铝合金试板进行清洗，除去其表面油污及氧化膜，然后用阿洛丁1200对其表面进行氧化处理，最后用≥90 ℃的水对表面进行封闭处理。

（2）试板制备。

(3)完善保险业服务体系建设。坚持高标准保险机构布局，保险机构应加大网点建设力度，密切关注恩施州经济社会发展需求和地方特色，将与旅游业紧密相关的土特产，如茶叶、药材、魔芋等纳入保险范围，建立特色产品的价格保险，促进产业发展，将保险资金投入到债券投资计划、股权投资计划，为恩施州旅游休闲产业、基础设施建设提供资金支持。

（a）喷涂底漆：喷涂前，先将各组分充分混匀。然后在（23±2）℃下静置熟化10~15 min，用240 目纱布滤网过滤后再喷涂。喷涂黏度为14~18 s（涂-4#杯），倒入喷枪，工作压力0.1~0.3 MPa。喷涂1道，干膜厚度控制在20~25 μm。

（b）喷涂防滑涂料：将防滑涂料A 组分、B 组分、C组分混合均匀，再用专用稀释剂将涂料黏度调为20~60 s，倒入喷枪，工作压力0.6~0.8 MPa。待底漆喷涂完成6 h 之后，在常温及相对湿度20%~85%条件下，喷涂防滑涂料，室温固化14 d后备用。

1.3 测试表征

按照GB/T 10006—2021 采用摩擦系数测试仪测试防滑涂层与橡胶表面在干、水、油状态下的最大静摩擦系数。

参照GB/T 5210—2006测试涂层附着力。

按照ASTM D4060-19 采用磨耗仪测定涂层的耐磨性，使用CS-10#橡胶砂轮，配质量500 g。

采用数字式三维视频显微镜观察涂层磨痕表面三维形貌。

采用傅立叶变换红外光谱仪分析涂料A、B 组分和A+B混合固化后的涂层，扫描范围4 000~400 cm-1，扫描分辨率2 cm-1。

2 结果与讨论

2.1 树脂对涂层性能的影响

图1 树脂对涂层耐磨性的影响Fig.1 The influence of different resins on the wear resistance of coatings

由图1 可知，选用羟基丙烯酸树脂C 和高羟值聚酯多元醇D进行复配，以异氰酸酯固化剂进行固化制备的涂层性能较好。由于涂层含有大量的氨基甲酸酯键、醚键、酯键等，基团间存在大量氢键，在外力作用下，氢键吸收外来的能量发生分离，当外力除去后又重新生成氢键，这种氢键裂开又再形成的可逆重复，可使涂层具有高度机械耐磨性、柔韧性、耐候性、保光性和附着力[9-10]。此外，还采用FT-IR 对轻质耐磨防滑涂层A 组分、B 组分和固化后的涂层试样分别进行了红外表征，如图2所示。

图2 防滑涂料A组分、B组分和固化后涂层的红外光谱Fig.2 Infrared spectra of component A,component B and coating

由图2的A组分红外光谱可知，3 522 cm-1处是反应活性基团—OH 的伸缩振动吸收峰；从B 组分红外光谱可知，2 253 cm-1、582 cm-1处分别为—NCO 的反对称伸缩振动吸收峰和弯曲振动吸收峰。在涂层的红外光谱中可以发现，在3 522 cm-1附近没有出现—OH 特征峰，说明A 组分已经基本反应完全；在2 253 cm-1和582 cm-1处没有出现特征峰，说明—NCO已经反应完全；在3 371 cm-1和1 531 cm-1分别出现NH 的伸缩和弯曲振动峰；在2 932 cm-1和2 861 cm-1处分别为甲基和亚甲基的特征峰；在1 728 cm-1处为氨酯键中羰基特征峰；在1 684 cm-1处为脲羰基的伸缩振动峰；在1 461 cm-1和1 337 cm-1处分别是甲基和亚甲基的弯曲振动峰；在1 237 cm-1和1 161 cm-1处是C—O—C 的特征峰[11]。以上说明合成的涂层为目标产物结构。

2.2 防滑颗粒对涂层性能的影响

2.2.1 防滑颗粒改性对涂层附着力的影响

为了提高防滑颗粒在涂层中的结合强度，实验选用的防滑颗粒为有机改性陶粒砂，其改性方式为：γ-氨丙基三乙氧基硅烷在水、醇以及高温条件下水解，并与陶粒砂表面羟基缩合实现改性。将有机基团连接于陶粒砂表面，可提高陶粒砂与防滑涂料树脂体系的相容性和与涂层的结合力。同时，陶粒砂的高强度多孔结构使其具有很低的真实密度，有利于实现防滑涂层轻量化，实测轻质耐磨防滑涂料面密度（单位面积干膜质量）为0.3 kg/m2，远低于传统舰船用防滑涂料面密度3.0 kg/m2。图3 为改性前后的陶粒砂拉拔破坏试验后的断裂面形貌（单反相机拍摄）。

图3 陶粒砂改性前后涂层破坏形式对比Fig.3 Comparison of coating failure before and after inorganic sand modification

从图3 可以看出，陶粒砂改性前，涂层破坏形式是陶粒砂与涂层界面破坏，平均附着力3 MPa；陶粒砂改性后，涂层破坏形式是涂层内聚破坏，平均附着力4 MPa。因此，陶粒砂改性后，涂层与基材附着力提高。

2.2.2 防滑颗粒粒径对涂层防滑性能的影响

防滑颗粒的粒径会影响防滑涂层表面的粗糙度，从而影响涂层的防滑性能。本实验研究了防滑颗粒粒径对防滑涂层最大静摩擦系数的影响，如图4所示。由于防滑颗粒粒径过大，喷涂施工过程中易堵塞喷枪，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。

图4 防滑颗粒粒径对涂层最大静摩擦系数的影响Fig.4 Influence of the non-skid particle size on the maximum static friction coefficient of the coating

由图4可以看出，随着防滑颗粒粒径的减小，涂层最大静摩擦系数也逐渐降低，因此，轻质耐磨防滑涂料选用粒径250~380 μm的改性陶粒砂为防滑颗粒。

2.2.3 防滑颗粒用量对涂层防滑性能的影响

防滑颗粒的添加量会影响涂层表面凸起颗粒的密集度，凹凸处的啮合作用是产生摩擦力的主要原因，所以防滑颗粒的添加量会直接影响涂层的防滑性能[12]。本实验研究了防滑颗粒添加量（以防滑涂料A 组分和B 组分的总质量计）对涂层防滑性能的影响，结果如图5、图6 所示。

图5 防滑颗粒添加量对涂层形貌的影响Fig.5 Photograph of coating with different addition amounts of non-skid particles

从图5 可以看出，随着防滑颗粒添加量的增加，涂层表面凸起颗粒的密集度也明显增加，但是添加量到12%后，颗粒密集度增加不明显，这是由于颗粒到一定添加量之后，再增加添加量，颗粒会重叠埋入涂层。

由图6 可以看出，随着防滑颗粒添加量的不断增大，涂层的最大静摩擦系数先是急剧增大，随后增长平缓，即当防滑颗粒添加量大于12%后，涂层最大静摩擦系数随添加量的增加而稍有增大，但是增量不明显。同时，过多的添加防滑颗粒容易使颗粒沉底，导致喷枪堵塞，也会使涂层变重，给飞机增加负担。综合考虑防滑颗粒对防滑涂料施工、涂层表面状态、最大静摩擦系数等的影响，确定防滑颗粒的最佳添加量为12%。

2.3 涂层的耐磨损性能

轻质耐磨防滑涂料作为一种表面功能型涂料，在使用过程中不可避免会造成一些磨损，本研究通过磨耗仪测试实验室条件下涂层的耐磨损性，结果如图7所示。

图7 磨损失质量随磨损转数的变化曲线Fig.7 Variation curve of wear mass loss of the coating with wear times

涂层的磨损过程主要包括3 个阶段：初始磨损阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段[13-14]。从图7可以看出，随着磨损转数的增加，磨损失质量的增幅先快速变小再趋于平稳，涂层的磨损过程包括了初始磨损阶段和稳定磨损阶段。在初始磨损阶段（磨损转数3 000 r内），涂层的磨损失质量的增加量快速变小，由于在该阶段，涂层表面局部凸起部分和磨件之间发生了接触磨损，导致磨屑脱落，脱落下来的磨屑在切向压力和法向压力共同作用下划伤涂层表面，导致涂层表面出现少量划痕和较浅的犁沟[如图8（a）]。在稳定磨损阶段（磨损转数3 000~5 000 r），涂层的磨损失质量的增幅趋于平稳，随着磨损次数的增加，涂层表面与磨件之间由点面接触磨损逐渐变为面面接触磨损，涂层表面的磨损形貌变得较为光滑[如图8（b）]，磨损过程变得平稳。由此可知，轻质耐磨防滑涂料在磨损转数5 000 r 内，与对磨件的磨损机制主要是磨损初期的磨粒磨损和磨损稳定阶段的黏着磨损。