左娟娟,姜秀杰,白 楊,冷曉飛,陳從棕
(海洋化工研究院有限公司,海洋涂料國家重點實驗室,山東青島 266071)
防滑涂料作為一種表面處理功能性材料,能夠改進基材表面的摩擦性,減少基材表面人員、車輛和其他物體的滑動性,避免人員受傷及財產(chǎn)損失,并提高踩踏舒適性[1-2]。防滑涂料主要由成膜物質(zhì)、溶劑、顏料、填料以及助劑組成,但不同于一般涂料,其中加入了起到防滑作用的耐磨顆粒[3]。
在國外,防滑涂料主要應(yīng)用于飛機的內(nèi)部走道、上機翼緊急逃生通道、貨艙地板等部位,使用范圍僅次于蒙皮涂料及通用底漆[4],且已經(jīng)形成成熟的產(chǎn)品,如PPG、AKzoNobel、Sherwin-Williams、Chemsol等公司的飛機防滑涂料產(chǎn)品,有單組分、雙組分、三組分等類型,涵蓋醇酸、環(huán)氧、聚氨酯等樹脂體系。
目前,國內(nèi)防滑涂料大多應(yīng)用于船舶[5],尤其是甲板上會大量使用防滑涂料,在航空領(lǐng)域內(nèi)使用需求不強,研究和應(yīng)用基本屬于空白[6]。飛機防滑涂料在使用過程中可能面臨氣流沖刷、基材形變、溫度驟變、液壓油滲漏等惡劣環(huán)境,易導(dǎo)致涂層出現(xiàn)漆膜開裂、防滑顆粒脫落等問題。為了解決以上問題,本實驗研制了一種環(huán)保型飛機防滑涂料,該涂料以無機有機混制的輕質(zhì)型砂為防滑顆粒,不僅具有較低的涂層面密度,可有效減輕機體負重進而節(jié)約燃料費用,還具有優(yōu)異的防滑性、耐磨性、耐介質(zhì)性以及環(huán)保性。
丙烯酸樹脂(工業(yè)品,東莞);聚酯樹脂(工業(yè)品,上海);脂肪族異氰酸酯固化劑(工業(yè)品,煙臺);鈦白粉(工業(yè)品,杜邦);阻燃劑(工業(yè)品,云南);助劑(工業(yè)品,江蘇);稀釋劑(工業(yè)品,江蘇、湖南);防滑顆粒(工業(yè)品,江蘇)。
掃描電子顯微鏡:TM3030Plus,日本日立公司;磨耗儀:Taber5155,美國Taber公司;高低溫恒溫試驗箱:WD701,上海增達環(huán)境試驗設(shè)備有限公司;摩擦系數(shù)測試儀:MXD-02,濟南蘭光機電技術(shù)有限公司;鼓風干燥箱:DHG-9075A,上海一恒科技有限公司;高速分散機:MASTERMIX,耐馳(上海)機械儀器有限公司;砂磨機:LMZ-0.5,耐馳(上海)機械儀器有限公司。
1.3.1 防滑涂料的制備
防滑涂料由A、B、C三組分組成,其中,A組分為丙烯酸樹脂和聚酯樹脂與顏填料、助劑等的混合物,配方見表1;B組分為脂肪族異氰酸酯固化劑;C組分為無機、有機材料混制的型砂。
表1 防滑涂料A組分配方Table 1 Formulation of anti-slip coating A component
A組分的制備過程:在干凈的調(diào)漆罐內(nèi),將丙烯酸樹脂和聚酯樹脂進行充分攪拌,然后依次加入觸變劑、顏料、填料、阻燃劑、抗氧劑、分散劑等助劑和部分稀釋劑。在高速攪拌分散機上預(yù)分散20~30 min后,用耐馳棒銷式砂磨機研磨至細度小于40μm,加入其他剩余物料,充分攪拌均勻后,調(diào)整不揮發(fā)物含量在60%~65%,過濾即為A組分。
1.3.2 基材處理及試板制備
基材處理:本實驗選用的試板為2024-T3鋁板,首先對鋁板進行堿洗、酸洗,除去鋁板表面油污及氧化皮,然后用阿洛丁1200S對其表面進行氧化處理,最后在低于54℃的環(huán)境下烘干即可,基材尺寸要求見表2。
表2 基材尺寸Table 2 Substrate size
試板制備:在涂覆防滑涂料之前,需要在試板上先涂覆一道防腐蝕環(huán)氧底漆,底漆干膜厚度為15~25 μm,底漆固化6~24 h后再涂覆防滑涂層。防滑涂料可采用刷涂、輥涂、噴涂的施工方式,本實驗采用大口徑噴槍進行有氣噴涂,噴槍口徑2~3 mm,工作壓力0.6~0.8 MPa。防滑涂料涂裝前將基料A組分充分攪拌均勻,按A、B、C組分質(zhì)量比7:1:1混合,攪拌均勻后施工,單道干膜厚度60~120 μm,表干后可涂裝下一道,共涂裝2~3道,至干膜厚度150~250 μm。
1.4.1 滑動摩擦系數(shù)測試
按照GB/T 10006-2021要求測試防滑涂層和橡膠表面在干、水、油狀態(tài)下的滑動摩擦系數(shù),采用MXD-02摩擦系數(shù)測試儀進行測試,重點考察水、油等介質(zhì)類型及防滑顆粒的添加量對涂層滑動摩擦系數(shù)的影響。
1.4.2 耐磨性測試
按照ASTM D4060-19規(guī)定采用Taber磨耗儀測定涂層的耐磨性。使用CS-10號橡膠砂輪,配重1 kg。本實驗的耐磨性以經(jīng)過5000r的摩擦循環(huán)后漆膜的質(zhì)量損耗來表示。
1.4.3 耐介質(zhì)性測試
按照GB/T 9274-1988要求,測試漆膜的耐介質(zhì)性能,介質(zhì)主要有RP-3航空煤油和15號航空液壓油,觀察漆膜狀態(tài)以及鉛筆硬度變化情況。
1.4.4 耐高低溫性
按照ASTM D522-17要求測試漆膜的耐高低溫性,將試驗樣板分別放于-51℃和93℃條件下30min后,在同等溫度條件下的5cm直徑軸上進行180°彎曲試驗,漆膜應(yīng)無裂紋、無脫落、附著力損失或其它漆膜缺陷。
1.4.5 VOC的測定
參考美國EPA Method 24,揮發(fā)物含量的測定方法依據(jù)ASTM D2369-20,水含量的測定方法依據(jù)ASTM D3792-16,豁免化合物的測定方法依據(jù)ASTM D4457-14。VOC的計算方法按照ASTM D3960-05。
1.4.6 顯微組織
采用TM3030Plus型掃描電子顯微鏡觀察涂層表面的微觀形貌特征。圖1為加入10%防滑顆粒制備得到的防滑涂層表面微觀形貌。從圖1中可以看出,涂層雖有防滑顆粒造成的粗糙紋理,但涂層表面相對平整光滑。
圖1 防滑涂層表面的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM images of the non-skid coating
樹脂是防滑涂料的核心,對防滑涂料的性能有重大影響,針對飛機在使用過程中可能出現(xiàn)的防滑涂層漆膜開裂、防滑顆粒脫落等問題,本實驗在設(shè)計配方時選用耐候性好的丙烯酸樹脂作為主體樹脂,輔以一定比例的聚酯樹脂,適當提高樹脂體系的交聯(lián)密度,滿足防滑涂層強度、柔韌性、耐磨性與耐液壓油性能的平衡。主要考察了不同樹脂類型對漆膜性能的影響,具體結(jié)果見表3。
表3 不同樹脂對漆膜性能的影響Table 3 The influence of different resins on the performance of paint film
從表3的性能對比結(jié)果可以看出,丙烯酸樹脂A具有較高的硬度,柔韌性略差,聚酯樹脂B和C具有較好的柔韌性和耐磨性,但聚酯樹脂C的耐介質(zhì)性能略差,干燥時間過長。因此最佳樹脂體系選用丙烯酸樹脂A與聚酯樹脂B按照6:4的比例進行混拼,得到的漆膜具有優(yōu)異的耐候性、柔韌性、耐磨性、耐介質(zhì)性和耐高低溫性。
防滑涂料的防滑效果主要是通過防滑顆粒來實現(xiàn)的,防滑顆粒能顯著增大防滑涂料的摩擦性能,提高其耐磨性,延長涂料的使用壽命[7]。目前防滑涂料選用的防滑粒料大部分是無機物,如金剛砂、石英砂等,這些防滑粒料硬度高、密度大,易劃傷機體,不能滿足飛機上的防滑要求。因此,本實驗要優(yōu)選出一種具有高耐磨、高防滑性的輕質(zhì)防滑粒料,既要滿足干、濕、油態(tài)下高摩擦系數(shù)的要求,又要與所選樹脂具有良好的配套性,著重考察了防滑顆粒種類、粒徑以及添加量對體系性能的影響,表4是選用的防滑顆粒性能對比。
表4 防滑顆粒性能對比Table 4 Non-skid particle performance comparison
從表4可以看出,選用性能最優(yōu)的型砂作為防滑顆粒,不僅防滑涂層的耐磨性、防滑性、耐介質(zhì)性等理化性能滿足要求,且具有較好的施工性能,可進行噴涂施工。篩選了一種改性的無機、有機混制型砂作為防滑顆粒,該型砂具有低密度、高耐磨性、優(yōu)異的阻燃性等特性,與防滑涂料樹脂體系相容性好,與涂層有較強的結(jié)合力,不易從涂膜中脫落;因其較低的密度,施工時顆粒不易沉降,施工后的涂層質(zhì)地更加均勻,涂層面密度低,有效降低了機體負重。
同時,本實驗還研究了防滑顆粒粒徑對防滑涂層滑動摩擦系數(shù)的影響,實驗結(jié)果如圖2所示。
圖2 防滑顆粒粒徑大小對涂層滑動摩擦系數(shù)的影響Fig.2 The influence of the size of the non-skid particles on the sliding friction coefficient of the coating
由于防滑顆粒粒徑過大,噴涂施工過程中易堵塞噴槍,施工后涂層中防滑顆粒分布不均勻,因此,本實驗只對粒徑在96~380 μm的防滑顆粒進行了對比試驗。由圖2可以看出,隨著防滑顆粒粒徑的減小,涂層滑動摩擦系數(shù)也逐漸降低,因此,本實驗選用150~180 μm的防滑顆粒,以滿足平滑型防滑涂料對滑動摩擦系數(shù)的要求。
同時,本實驗還研究了防滑顆粒的添加量對防滑涂層滑動摩擦系數(shù)的影響,結(jié)果如圖3所示。
圖3 防滑顆粒添加量對滑動摩擦系數(shù)的影響Fig.3 Influence of content of non-skid particles on the sliding friction coefficient
由圖3可以看出,隨著防滑顆粒加入量的不斷增大,涂層的滑動摩擦系數(shù)先是急劇增大,隨后增長平緩,在防滑顆粒加入量大于5%后,其加入量對涂層滑動摩擦系數(shù)的影響不明顯,防滑顆粒加入量小于10%的涂層防滑顆粒過于稀疏,表面狀態(tài)較差,綜合考慮防滑顆粒對防滑涂料施工、涂層表面狀態(tài)等的影響,確定防滑顆粒的加入量為10%。
溶劑對涂料的粘度、潤濕性、附著力均有一定的調(diào)節(jié)作用[8]。但是,在施工過程中,這些釋放出的溶劑是破壞環(huán)境和危害人體健康的主要因素,因此,低毒或無毒、對環(huán)境污染少的綠色環(huán)保涂料已經(jīng)成為研究的重點。
豁免溶劑不參加大氣光化學(xué)反應(yīng),對環(huán)境和人體不構(gòu)成危害,用豁免溶劑替代傳統(tǒng)的有毒有害溶劑,在不影響產(chǎn)品性能的同時兼顧了環(huán)保的要求,是目前降低溶劑型涂料VOC切實有效的方法[9]。醋酸叔丁酯(TBAC)作為一種低毒性溶劑,被美國國家環(huán)保局(EPA)列為免除受限制的揮發(fā)性溶劑和非有害空氣污染物,它具有獨特的分子結(jié)構(gòu),空間位阻大,與其它溶劑混合使用可大大改善溶劑的相溶性能。同時,作為環(huán)境友好型溶劑,可以替代甲苯、二甲苯、酮類和碳氫化合物等,目前已廣泛應(yīng)用于涂料領(lǐng)域。因此,本實驗著重考察了防滑涂料體系中TBAC與PMA混合比例對VOC的影響,具體數(shù)據(jù)如圖4所示。
圖4 TBAC與PMA混合比例對體系VOC的影響Fig.4 The influence of the mixing ratio of TBAC and PMA on the VOC of the system
通過試驗對比發(fā)現(xiàn),隨著TBAC含量的增加,體系的VOC逐漸降低,但經(jīng)濟成本也隨之增加,因此,在兼顧經(jīng)濟、環(huán)保和施工的原則下,本實驗選擇的TBAC與PMA混合比例為1:2,此時體系的VOC為402g/L,滿足VOC<420g/L指標要求,并且此條件下施工狀態(tài)良好,漆膜表面未見不良缺陷。
(1)選擇丙烯酸樹脂和聚氨酯樹脂按照6:4比例混拼的樹脂體系,采用脂肪族異氰酸酯固化劑進行固化,實現(xiàn)防滑涂層強度與柔韌性的平衡。
(2)通過添加10%的150~180 μm改性型砂,可以顯著提高涂層的摩擦性,滿足飛機防滑涂料對動摩擦系數(shù)的要求。
(3)選擇醋酸叔丁酯作為體系中豁免溶劑,可以有效降低VOC含量,當醋酸叔丁酯與PMA比例為1:2時,體系VOC為402g/L,此時,漆膜狀態(tài)良好,既經(jīng)濟又環(huán)保。