国产飞机蒙皮底漆工艺适应性研究

步明升，汪 威，薛玉华，阮润琦，张 岩，张 彪，崔少波，刘顺崎，刘 超，郭年华

(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)

随着航空工业和航空运输业的发展，以及人们对航空安全认识的不断深化，民用航空用化学品的适航性越来越被重视，现阶段欧美国家都有一套完整的评价体系，主要以波音和空客的要求为主[1]。我国现行民航法规CCAR-53《民用航空用化学产品适航规定》中对飞机涂料的原材料和性能要求进行了规定，并要求凡在我国境内进行生产、分装、配制、加工等操作的民用航空器用化学产品，必须按规定相关进行适航认证。

由于飞机活动环境条件具有一定的特殊性，主要涉及内陆、海洋、低空、高空、风沙、雨蚀、化学品侵袭等，其面临的环境具有高腐蚀、高湿热、冲击、流体、雨蚀、温度起伏等特点，这就要求蒙皮底漆具有优良的附着力、柔韧性、抗冲击、抗化学品性能、耐腐蚀性能等，从而满足民用航空器用涂料的适航要求[1-4]。通常情况下，飞机蒙皮在零件状态下已喷有一层国外各类底漆，在整机喷涂时一般需要先将该层底漆细致打磨并水洗后，在24h内整体喷涂一道蒙皮底漆，最后按照要求喷涂面漆和清漆。目前，蒙皮涂料市场被欧美国家垄断，波音和空客飞机喷漆系统的常用底漆有Akzo 10P20-44、PPG CA7700、Mankiewicz 113-82等，面漆主要有Akzo ECL-G-系列、PPG CA8000、Mankiewicz 411-22等[5-6]，这就要求国产蒙皮底漆除了要满足我国的适航认证要求外，还要具有很好的施工性能，并与国外常用蒙皮底漆和面漆之间具有很好的相容性。

涂层的附着力受环境因素的影响实际上是不断变化的，常规的附着力测试方法都是测试漆膜干膜状态下的附着力。Funke在研究涂层防腐性能时提出，除了涂层低透氧率和透水率——屏蔽性之外，湿附着力起着十分重要的作用[7]，这是因为漆膜与介质接触后，其附着力会发生一系列的变化，这些变化直接关系到底漆与基材之间的腐蚀以及底漆与面漆之间的层间结合力，降低涂层的使用寿命。因此，本文主要通过干膜附着力和湿膜附着力的变化，着重从壶装寿命、基材适用性、固化性能、底漆相容性以及面漆相容性等方面对国产飞机蒙皮底漆进行了工艺适应性研究，考察其是否满足现有材料性能和施工性能要求。

1 试验部分

1.1 主要原料

蒙皮底漆，海洋化工研究院有限公司；10P20-44底漆，阿克苏诺贝尔；113-82底漆，美凯威奇；CA7700底漆，PPG；面漆，阿克苏诺贝尔；411-22面漆，美凯威奇；CA8000面漆，PPG。

1.2 主要设备

重型冲击仪，1120，德国毕克-加特纳公司；盐雾箱，CC1000XP，英国 ASCOTT 公司；圆锥弯曲试验仪，BGD 566，标格达精密仪器（广州）有限公司。

1.3 主要性能测试方法

1.3.1 附着力测试

本实验选用干膜附着力和湿膜附着力两种方法一起表征漆膜附着力，附着力的测试方法按照GB/T 9286-2021或ISO 2409：2020进行，网格图形每个方向的切割道数应为6，划线间距为1mm，划线及胶带粘贴方式如图1所示，一般要求干膜附着力和湿膜附着力不大于等级2，具体测试方法如下。

图2 漆膜冲击性能Fig.2 The impact resistance of paint film

图3 漆膜柔韧性Fig.3 The flexibility of paint film

（1）干膜附着力（D）

将试板按照试验要求进行喷涂并固化，然后按照GB/T 9286-2021或ISO 2409：2020划线并评级。

（2）湿膜附着力（W）

试板按照试验要求进行喷涂并固化后，将试板在蒸馏水中浸泡7d，按照GB/T 9286-2021或ISO 2409：2020划线并评级。

1.3.2 冲击性能

试板在室温固化7d后，使用Gandner 160 in·lb的重型冲击测试仪，对试板涂漆面至少进行40in·lb的正冲击和反冲击，然后将胶带牢固地向下压在试板冲击点处，并以与样板相垂直的方向快速扯去胶带，检查漆膜是否发生剥落。

1.3.3 柔韧性

试板在室温固化7d后，按ASTM D522的要求将仪器的操作杆置于水平位置，将试板放入芯轴和拉杆之间，样板涂漆面朝向拉杆。使样板的一个短边与芯轴的细端相接触，夹住试板。均匀平稳地拉动拉杆使其在1s左右的时间内折弯。检查漆层是否有裂纹、剥落和其他损伤，并在距锥形轴端头（直径3.175mm）至少12.7mm区域测试胶带附着力，无附着力失效。

1.3.4 盐雾性能

试板按照试验要求进行喷涂并固化后，在试板上刻两条对角线，划痕宽度应为0.79～1.59 mm；然后按ASTM B117要求，将试板置于5%的盐雾中，试板与垂直面成6°±1°，涂漆面朝上；盐雾1500h后，检查漆膜表面是否有气泡和腐蚀现象。

2 结果与讨论

2.1 壶装寿命研究

一般情况下，涂料的壶装寿命测试条件为：温度23±2 ℃，相对湿度50%±2%；蒙皮涂料的最佳施工条件为：温度20～30 ℃，相对湿度40%～60%。但是，实际施工过程中，温湿度波动较大，温度最高可达35℃，湿度可达75%，因此，开展蒙皮底漆在不同温度、不同湿度条件下的壶装寿命研究，可以为现场施工提供很好的理论基础。本试验基材为经阿洛丁1200S化学氧化处理的7075-T6包铝，试验步骤为：将新鲜混合的蒙皮底漆分别在23±2 ℃、50%±2%湿度（记为1#）和35±2 ℃、75%±2%湿度（记为2#）两种条件下放置4h后进行空气喷涂，试片在室温下干燥7d后进行附着力、抗冲击以及盐雾性能测试，试验结果见表1。

表1 壶装寿命后不同温湿度条件下测试结果Table 1 The results under different temperature and humidity conditions after pot life

蒙皮底漆的主要性能是与基材产生良好的附着力、柔韧性、抗冲击并具备良好的防腐蚀性能，底漆与基材的附着力是涂层系统获得其他一切性能的必要条件[8]。经过测试，国产飞机蒙皮底漆在两种温湿度条件下放置4h后，仅仅在喷涂粘度上有少许差别，漆膜的主要性能稳定，未发生任何变化，具体如图1～图4所示。其中，漆膜的干膜附着力和湿膜附着力均达到0级，未出现任何附着失效的现象；使用加氏重型冲击试验仪对漆膜进行正冲和反冲试验，漆膜可承受60in·lb的力，未发生任何掉漆现象；使用圆锥弯曲试验仪，漆膜均未出现裂纹和附着力损失；同时，该底漆经1500h中性盐雾后，漆膜未见起泡，距划痕3.85mm外无腐蚀和附着力损失。综上所述，国产飞机蒙皮底漆在高温高湿条件下（温度35℃、湿度75%）经过4h壶装寿命后再喷涂，产品的性能与常温（温度23℃、湿度50%）稳定一致，可以很好地适应施工现场不同温湿度下的壶装寿命要求。

图4 漆膜附着力Fig. 4 The adhesion of paint film

2.2 基材适用性研究

基材的种类及处理方式直接影响蒙皮底漆在基材上的附着力，因此有必要考察蒙皮底漆在不同基材以及基材处理方式上的适用性。现代民用飞机蒙皮材料绝大部分采用2024-T3和7075-T6有包覆层铝合金[1]，而飞机蒙皮表面处理技术中，常见的基材处理方式主要有：阿洛丁1200S化学氧化、硼硫酸阳极化、硫酸阳极化、铬酸阳极化、溶胶凝胶等[9-11]。因此，本试验设计如下：将2024-T3包铝、7075-T6包铝两种基材分别使用不同的处理方法，再喷涂国产飞机蒙皮底漆，室温干燥7d后，进行干膜附着力和湿膜附着力的测试，以验证该底漆在不同基材上的适用性，具体基材处理方式及测试结果见表2。

表2 不同基材上的附着力Table 2 The adhesion on different substrates

从表2中可以看出，不管是2024-T3包铝基材还是7075-T6包铝基材，分别使用阿洛丁1200S化学氧化、硫酸阳极化、硼硫酸阳极化、铬酸阳极化、溶胶凝胶等5种基材处理方式进行处理后，再施工国产飞机蒙皮底漆，漆膜的干膜附着力和湿膜附着力均为0级，未发生任何起泡、脱落等不良现象，表现出很好的基材适用性，具有良好的应用前景。

2.3 固化性能研究

涂料不同温度下的固化性能，直接影响到现场施工工艺以及工人的工作效率和工作质量。一般情况下，蒙皮涂料施工过程中，除了最后一道清漆之外，每道漆膜都要打磨，以保证漆膜之间有足够的结合力。本试验设计在10、23、35 ℃三种温度下考察蒙皮底漆固化性能，主要包括不同温度条件下试板的表干时间、可打磨时间、可胶带遮蔽时间，试验的基材仍然为经阿洛丁1200S化学氧化处理的7075-T6包铝。具体测试方法如下。

表干时间：漆膜干燥一定时间后，将棉花从25cm左右的高度坠落到涂层表面，用嘴轻吹，记下棉花可吹走的最早时间，即为表干时间。

可打磨时间：漆膜干燥一定时间后，用240目细砂纸进行打磨，观察漆膜表面是否干爽并呈现粉末状，若不是，则每隔1h继续打磨，直至打磨呈现粉末状的时间。

可胶带遮蔽时间：喷涂底漆干燥2h后，将250号3M胶带紧紧贴在漆膜表面，每隔1h粘贴一次，胶带停留16～24 h后再撕掉，漆膜表面没有掉漆或污染现象的最短时间。

从表3中可以看出，国产飞机蒙皮底漆在10～35 ℃下，随着固化温度的升高，漆膜的表干时间、可打磨时间、可胶带遮蔽时间均得到了一定的提升，表干时间从2h提高至40min，可打磨性时间从16h提高到8h，可胶带遮蔽时间从5h提高到2h。施工现场一般要求蒙皮底漆的表干时间不高于2h，可打磨时间不高于18h，可胶带遮蔽时间不高于8h，因此，国产飞机蒙皮底漆在10～35 ℃下表现出来的固化性能，可以很好地满足现场施工需求。

表3 不同温度条件下的固化性能Table 3 The curing properties under different temperature conditions

2.4 与国外常用蒙皮底漆、面漆的相容性研究

涂料的相容性是指各个涂层之间的适应性，如何充分利用涂料体系的整体协同作用，对涂装来说至关重要。对涂料相容性的判定，是涂装体系配套设计的基础，在此基础上才能最大限度地发挥涂膜性能。本试验设计了国产飞机蒙皮底漆与Akzo、PPG、Mankiewicz等厂商生产的常见蒙皮底漆和面漆的相容性，试验基材仍为经阿洛丁1200S化学氧化处理的7075-T6包铝，试板室温干燥7d后进行测试，通过漆膜的干膜附着力和湿膜附着力的评级来判断该底漆与国外蒙皮底漆、面漆之间的相容性。由于施工工艺的不同，底漆相容性试验仅测试完全固化再打磨后的漆膜相容性，面漆相容性还补充了国产飞机蒙皮底漆与国外面漆不同喷涂间隔的相容性试验，具体试片制作过程及测试结果分别见表4和表5。

表4 与不同底漆的相容性Table 4 The compatibility with different primers

表5 与不同面漆的相容性Table 5 The compatibility with different topcoats

从表4和表5（10组～12组）中可以看出，三种国外底漆在自干7d后，经细致打磨再喷涂国产飞机蒙皮底漆，漆膜的附着力均为0级；同样，国产飞机蒙皮底漆在自干7d后，经细致打磨再喷3种国外面漆，漆膜的附着力也均为0级，这说明国产飞机蒙皮底漆与上述国外底漆和面漆，经打磨后的层间结合力未发生损失，满足现场施工需求，具有很好的相容性。

同时，从表5（1组～9组）中可以发现：喷涂间隔为24h时，国产飞机蒙皮底漆与三种国外的附着力均为0级；喷涂间隔为48h时，与411-22的干膜附着力和湿膜附着力均降为1级，其余附着力均为0级；喷涂间隔为72h时，除了与ECL-G-1622面漆的干附着力之外，国产飞机蒙皮底漆与三种国外的附着力出现了不同程度的损失，其中411-22面漆的湿膜附着力只有2级。尽管以上结果均不大于指标要求的2级，但是为了最大限度地发挥国产飞机蒙皮底漆与国外面漆的结合力，建议将国产飞机蒙皮底漆与411-22面漆的最大喷涂间隔时间定为24h，与ECL-G-1622面漆、CA8000面漆的最大喷涂间隔时间定为48h，这样可以在一定程度上延长涂层的使用寿命。

3 结论

经过验证，国产飞机蒙皮底漆在壶装寿命、基材适用性、固化性能、底漆相容性和面漆相容性等方面测试性能稳定，该涂料对施工环境具有很好的适应性，能够满足现有民机材料施工要求，试验结果可以为实际应用提供施工技术指导，具有重要的工程实践意义。