孟 雪，徐國(guó)躍，譚淑娟，劉 寧，尤玲麗，李 衛(wèi)

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CAB對(duì)紅外低發(fā)射率涂層性能的優(yōu)化研究

孟 雪1,2，徐國(guó)躍1,2，譚淑娟1,2，劉 寧1,2，尤玲麗1,2，李 衛(wèi)1,2

（1. 南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210016；2. 江蘇協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210016）

為了優(yōu)化原有紅外低發(fā)射率涂層的性能，向紅外低發(fā)射率涂層中加入醋酸丁酸纖維素（CAB），并對(duì)涂層進(jìn)行紅外發(fā)射率（8～14mm）、掃描電子顯微鏡（SEM）、力學(xué)性能及耐鹽水性能測(cè)試。結(jié)果表明：加入醋酸丁酸纖維素可以促使涂層中鋁粉定向排列并形成“鏡面”結(jié)構(gòu)，同時(shí)減少了涂層的表面缺陷，從而保證涂層發(fā)射率基本不變的情況下降低原有涂層的鋁粉含量（由40%降低到30%），且優(yōu)化后的涂層力學(xué)性能及耐鹽水性能都優(yōu)于原有涂層。

紅外發(fā)射率；醋酸丁酸纖維素；鋁粉；涂層

0 引言

紅外低發(fā)射率涂層是指對(duì)紅外輻射具有低吸收和高反射作用的涂層，它可以降低飛行器被紅外線探測(cè)到的概率[1-2]。紅外低發(fā)射率涂層主要由樹脂基體和功能填料構(gòu)成，有時(shí)也會(huì)根據(jù)不同需求添加不同的顏料及助劑添加劑。紅外低發(fā)射率涂層的低發(fā)射率性能取決于片狀微米級(jí)、漂浮態(tài)導(dǎo)電鋁粉的加入以及鋁粉在涂層中的含量和定向排列，而涂層的力學(xué)性能以及耐環(huán)境性能取決于樹脂基體、功能填料以及助劑添加劑等[3-6]。

目前涂層的發(fā)射率已達(dá)到低發(fā)射率水平（低于0.1），但是大于40%的高填料量，往往又使涂層在實(shí)際應(yīng)用中存在兩大問題，一是高的填料量使紅外低發(fā)射率涂層力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于低填料量的涂層；二是高的填料量使紅外低發(fā)射率涂層存在更多的表面缺陷，腐蝕介質(zhì)更容易進(jìn)入涂層內(nèi)部腐蝕功能填料使涂層發(fā)射率升高、力學(xué)性能下降，所以紅外低發(fā)射率涂層很難達(dá)到較為苛刻的工程應(yīng)用水平[7-9]。要提高低發(fā)射率涂層的應(yīng)用性，可以通過降低鋁粉含量這一途徑，但是前期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)減少鋁粉含量又會(huì)使涂層發(fā)射率升高[8]。

醋酸丁酸纖維素（Cellulose Acetate Butyrate ，簡(jiǎn)稱CAB）是一種熱塑性的高分子聚合物，常用于金屬漆膜中。在漆膜干燥的過程中，它體積收縮性強(qiáng)，阻止了金屬填料在涂層中的上下移動(dòng)，迫使填料迅速水平定向，因而對(duì)填料的定向排列起決定作用，同時(shí)可以減少涂層的表面缺陷[10-11]。而功能填料鋁粉在涂層中的定向排列又對(duì)涂層的發(fā)射率有著決定性的作用[4]。所以本文通過加入醋酸丁酸纖維素促進(jìn)鋁粉的定向排列，使鋁粉在涂層中形成良好的“鏡面”結(jié)構(gòu)，在保證涂層低發(fā)射率的基礎(chǔ)上，減少填料的含量，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探究醋酸丁酸纖維素對(duì)涂層力學(xué)性能和耐環(huán)境性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 涂層的制備

稱取一定質(zhì)量的氟碳樹脂，加入少量乙酸丁酯，用玻璃棒攪拌。向樹脂中加入不同比例（40%、35%、30%、27%、25%）的鋁粉，加入適量乙酸丁酯溶劑，用玻璃棒粗略攪拌后，再用細(xì)胞粉碎機(jī)粉碎1min。按比例加入氟碳樹脂固化劑，攪拌均勻后加入適量乙酸丁酯溶劑調(diào)節(jié)黏度。向料漿中分別加入不同比例（10%、20%、30%）的醋酸丁酸纖維素溶液。用噴槍將配制好的涂料噴涂到基板上，室溫表干10h放入烘箱80℃固化10h。

1.2 分析與表征

用IR-2型雙波段發(fā)射率測(cè)量?jī)x對(duì)涂層進(jìn)行8～14mm波段紅外發(fā)射率測(cè)試；采用日立S-400場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)代表性涂層樣品進(jìn)行微觀分析。

另外，根據(jù)國(guó)標(biāo)對(duì)涂層樣品進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試（GB/T6739-2006；GB/T9286-1998；GB/T1731-93；GB/T1732-93）。耐鹽水測(cè)試按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10834-89《船舶漆耐鹽水性的測(cè)定》熱鹽水浸泡法進(jìn)行。為了加速涂層的腐蝕速度，鹽水濃度采用5% 的氯化鈉溶液，試驗(yàn)溫度定為50℃，跟蹤觀察涂層發(fā)射率及附著力隨浸泡時(shí)間的變化關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同鋁粉含量下，CAB對(duì)涂層發(fā)射率的影響

現(xiàn)普遍使用的低發(fā)射率涂層鋁粉含量為40%，發(fā)射率約為0.12，稱為原有涂層。對(duì)于加入醋酸丁酸纖維素的低發(fā)射率涂層來說，促進(jìn)鋁粉的定向排列可以減少鋁粉用量。所以選擇向鋁粉含量為25%、27%、30%、35%及40%的料漿中分別加入不同添加量的醋酸丁酸纖維素。研究CAB添加量對(duì)減少涂層鋁粉含量及發(fā)射率的影響。結(jié)果如圖1所示。

1）對(duì)于鋁粉含量為27%、30%、35%的低發(fā)射率涂層，隨著CAB添加量的增加，涂層發(fā)射率都呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。在CAB加入量為20%時(shí)，涂層發(fā)射率均達(dá)到最低。而對(duì)于鋁粉含量為25%的紅外低發(fā)射率涂層，CAB的加入反而使涂層的發(fā)射率升高。

圖1 不同鋁粉含量下，CAB對(duì)涂層發(fā)射率的影響

2）CAB對(duì)鋁粉含量為40%的原有紅外低發(fā)射率涂層發(fā)射率的影響并不明顯。

3）當(dāng)鋁粉含量為30%，CAB添加量為20%時(shí)，其發(fā)射率在0.13左右，接近40%鋁粉含量的原有涂層發(fā)射率（0.12）。所以將30%鋁粉，20%CAB確定為最佳添加量。（此涂層稱為優(yōu)化涂層，記為Al-30%，CAB-20%；原有涂層記為Al-40%，CAB-0%）。

2.2 醋酸丁酸纖維素對(duì)紅外低發(fā)射率涂層結(jié)構(gòu)的影響

為了進(jìn)一步研究CAB對(duì)紅外低發(fā)射率涂層發(fā)射率的影響，對(duì)以上涂層進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析。

鋁粉含量為25%時(shí)，圖2(a)可以看出由于鋁粉含量少，鋁粉之間仍存在間隙，不足以形成致密結(jié)構(gòu)。圖2(d)中涂層表面完全被樹脂層覆蓋，觀察不到鋁粉在涂層中的分布，這是因?yàn)榧尤隒AB后限制了鋁粉向涂層表面遷移，涂層表面樹脂層變厚，所以會(huì)使涂層發(fā)射率升高。

當(dāng)鋁粉含量較高（40%）時(shí)，圖2(c)所示片狀鋁粉之間相互堆積擁擠，出現(xiàn)較多的“孔洞”等表面缺陷。由圖2(f)可以看出，即使加入CAB后也無法改變鋁粉堆積的現(xiàn)象，所以此時(shí)加入醋酸丁酸纖維素并沒有顯著效果。

當(dāng)鋁粉含量為30%時(shí)，圖2(b)可以看出鋁粉排列好，鋁粉顆粒之間沒有間隙，也沒有出現(xiàn)堆積現(xiàn)象，涂層表面狀況較好。加入CAB后，如圖2(e)所示，鋁粉的定向排列更好，所以發(fā)射率會(huì)降低。

圖2 涂層掃描測(cè)試圖

Fig.2 SEM test images of the coatings

2.3 醋酸丁酸纖維素對(duì)紅外低發(fā)射率涂層力學(xué)性能的影響

對(duì)優(yōu)化涂層（Al-30%，CAB-20%）與原有涂層（Al-40%，CAB-0%）進(jìn)行力學(xué)性能對(duì)比。涂層厚度控制在60～70mm，測(cè)試結(jié)果如表1所示。優(yōu)化涂層與原有涂層的附著力1級(jí)、柔韌性0.5mm，均可達(dá)到最高級(jí)別。優(yōu)化涂層的耐沖擊性可達(dá)到50cm×kg，而原有涂層的耐沖擊性為45cm×kg。

表1 涂層力學(xué)性能對(duì)比

2.4 醋酸丁酸纖維素對(duì)紅外低發(fā)射率涂層耐鹽水性能的影響

鹽水對(duì)紅外低發(fā)射率涂層的腐蝕，主要是由于Cl－有很小的水和能，同時(shí)Cl－半徑小，具有很強(qiáng)的穿透能力，容易進(jìn)入涂層內(nèi)部[12-13]。當(dāng)Cl－到達(dá)鋁粉顆粒表面時(shí)，鋁粉表面在電解質(zhì)的作用下發(fā)生電化學(xué)腐蝕導(dǎo)致發(fā)射率升高。涂層表面缺陷越多，氯離子越容易穿透涂層進(jìn)入內(nèi)部腐蝕鋁粉，破壞涂層結(jié)構(gòu)。

對(duì)優(yōu)化涂層（Al-30%，CAB-20%）和原有涂層（Al-40%，CAB-0%）進(jìn)行鹽水浸泡試驗(yàn)，發(fā)射率和附著力隨浸泡時(shí)間的變化分別如圖3和表2所示，隨著浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)，兩種涂層的發(fā)射率均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。原有涂層浸泡40天后，發(fā)射率已高達(dá)0.4，此時(shí)涂層附著力降低到2級(jí)。這是因?yàn)橥繉颖砻娲嬖谥罅康娜毕荩珻l－容易穿透涂層腐蝕鋁粉，涂層中的功能填料被鹽水腐蝕粉化。而優(yōu)化涂層在浸泡40天后發(fā)射率仍小于0.3，附著力仍為1級(jí)。這是因?yàn)镃AB的加入減少了涂層的表面缺陷，Cl－難以進(jìn)入涂層內(nèi)部腐蝕鋁粉填料。

圖3 浸泡時(shí)間對(duì)涂層發(fā)射率的影響

表2 浸泡時(shí)間對(duì)涂層附著力的影響

3 結(jié)論

1）通過加入醋酸丁酸纖維素可以降低紅外低發(fā)射率涂層的鋁粉填料量，當(dāng)鋁粉含量為30%，醋酸丁酸纖維素的添加量為20%時(shí)，其發(fā)射率可以低至0.13。

2）加入醋酸丁酸纖維素可以提高鋁粉的定向排列，減少涂層的表面缺陷。

3）篩選出的最佳鋁粉和CAB含量的低發(fā)射率涂層（Al-30%，CAB-20%）和原有涂層（Al-40%，CAB-0%）附著力、柔韌性均達(dá)到最高級(jí)別，優(yōu)化涂層耐沖擊性可達(dá)50cm×kg，而原有涂層耐沖擊性僅為45cm×kg。

4）50℃、5%鹽水浸泡實(shí)驗(yàn)，原有涂層浸泡40天后，發(fā)射率已高達(dá)0.4，同時(shí)涂層附著力降低到2級(jí)。優(yōu)化涂層在浸泡40天后發(fā)射率仍小于0.3，附著力保持為1級(jí)。這是由于原有涂層鋁粉含量較高，存在大量表面缺陷，Cl－容易穿透涂層腐蝕鋁粉。而優(yōu)化涂層通過加入CAB降低了鋁粉含量，從而減少涂層表面缺陷，Cl－難以進(jìn)入涂層內(nèi)部腐蝕鋁粉填料。所以優(yōu)化涂層優(yōu)于原有涂層。

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Study on the Optimization of CAB on the Performanceof Low-Infrared-Emissivity Coatings

MENG Xue1,2，XU Guoyue1,2，TAN Shujuan1,2，LIU Ning1,2，YOU Lingli1,2，LI Wei1,2

(1.,,210016,2.,210016,)

To optimize the performance of the original low infrared emissivity coatings, Cellulose Acetate Butyrate (CAB) is added into the coatings. Infrared emissivity (8-14mm) of the coating is measured through IR-2, the effect of CAB on the surface of coatings is observed by scanning electron microscope (SEM), and the mechanical properties and salt water-resistant performance of the coatings are also tested. The results indicated that: CAB added into the coatings can make the flake aluminum powder oriented array and form the ‘mirror plate’ structure, and at the same time, it can also reduce the surface defects of the coatings. Furthermore, it will decrease the aluminum powder content (from 40% down to 30%) of the coatings on the premise that infrared emissivity changes little. In addition, the mechanical properties and salt water-resistant performance of the optimized coatings are better than those of the primary coatings.

infrared emissivity，cellulose acetate butyrate，Aluminum powder，coating

TQ630.4＋9

A

1001-8891(2017)03-0250-04

2016-08-17；

2016-12-26.

孟雪（1990-），女，山東濟(jì)寧市人，碩士研究生，主要從事功能材料的研究。

江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51403102）；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK20140811）。