阮潤(rùn)琦，薛玉華，步明升，賀 輝，張 巖，汪 威，郭年華，王 黎，崔少波，劉順崎，劉 超，高 鵬

(1海洋涂料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海洋化工研究院有限公司，山東 青島 266071；2 航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710089)

航空涂料是指用于飛機(jī)上的涂料。近些年，隨著航空工業(yè)的迅速發(fā)展，航空涂料的需求也隨之?dāng)U大，對(duì)航空涂料的性能要求也隨之提高。其中飛機(jī)蒙皮涂料噴涂在飛機(jī)外表面，起著裝飾及保護(hù)作用。飛機(jī)蒙皮涂料具有優(yōu)異的柔韌性、耐水性、耐化學(xué)介質(zhì)、耐候性、耐高低溫、耐沖擊性及附著力強(qiáng)等[1]。

飛機(jī)在飛行中會(huì)遇到各種惡劣的環(huán)境，如火山灰、沙塵暴等。這種環(huán)境下飛機(jī)表面易被污染物黏上，既影響美觀，又降低了涂層的使用壽命，且增加了飛機(jī)的日常維護(hù)難度?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)飛機(jī)公司提出在保證飛機(jī)蒙皮涂料性能的同時(shí)，需兼顧耐沾污性。

涂層的耐沾污性與涂料成膜后的粗糙度、致密性、硬度、吸水率、親水/疏水性等及所在的環(huán)境密切相關(guān)?，F(xiàn)有飛機(jī)蒙皮涂料雖能滿足飛機(jī)蒙皮涂料的性能要求，但在無(wú)光狀態(tài)下，其耐沾污性一般。尤其是無(wú)光飛機(jī)蒙皮涂料在整機(jī)噴涂時(shí)，有以下難點(diǎn)：①無(wú)光飛機(jī)蒙皮涂料的光澤較低（0～10），大面積噴涂時(shí)，容易出現(xiàn)顏色不均一，光澤不均一；②在保證飛機(jī)蒙皮涂料的基本性能前提下，尤其是無(wú)光漆，用無(wú)光樹脂制成的無(wú)光漆或者高光樹脂添加消光劑制成的無(wú)光漆難以兼顧耐沾污性能。長(zhǎng)時(shí)間的飛行后，飛機(jī)的蒙皮涂料在污漬的覆蓋下難以清洗，且飛機(jī)整體的顏色差異較大。因此，有必要研制符合新需求的無(wú)光耐沾污蒙皮面漆。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

丙烯酸樹脂：湛新公司；氟碳樹脂：自合成；異氰酸類固化劑：拜耳公司；分散劑、潤(rùn)濕劑、流平劑：BYK 公司； 消泡劑：Afcona 公司；光穩(wěn)定劑、抗氧劑：天津利安隆新材料股份有限公司；顏料：美國(guó)杜邦、德國(guó)巴斯夫、河北朗思化工科技有限公司、日本三菱；填料：丹東天賜阻燃材料科技有限公司；消光粉：德國(guó)德固賽；溶劑：青島海力加化學(xué)。

1.2 儀器設(shè)備

高速攪拌分散機(jī)BPF-H2.2，上海法孚萊能源技術(shù)有限公司；砂磨機(jī)LMZ0.5，耐馳（上海）機(jī)械儀器有限公司；防爆電子秤TCS-SG-EX 10，仕岡電子衡器有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱YLA-6000，上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司；粗糙度儀DektakXT，美國(guó)布魯克； 接觸角測(cè)定儀OCA 50Pro，德國(guó)德菲；掃描電鏡TM3030Plus，日本日立；光澤儀BGD516/3，標(biāo)格達(dá)精密儀器（廣州）有限公司。

1.3 試板的制備

1.3.1 耐沾污涂料的制備

（1）A組分的制備：按蒙皮面漆的配方依次將將丙烯酸樹脂、氟碳樹脂、助劑加入調(diào)漆罐中（配方總量≤20kg），高速分散10min；然后在攪拌停止?fàn)顟B(tài)下加入填料、顏料、溶劑，高速分散20min ，得到A組分漿料；對(duì)進(jìn)A組分漿料行研磨，研磨轉(zhuǎn)速為2000～2400 r/min，研磨溫度不超過60℃，研磨至細(xì)度≤25μm；加入消光粉，分散20～40 min，調(diào)整不揮發(fā)物含量在65%～70%。

（2）B組分的制備：按照配方量混合異氰酸類固化劑及酯類溶劑，攪拌10min，控制不揮發(fā)物含量在70%～72%。

（3）C組分的制備：按照配方量混合酯類溶劑及酮類溶劑，攪拌10min，控制不揮發(fā)物含量在每100mL不超過25mg。

1.3.2 測(cè)試試板的制備

按照蒙皮面漆的配方表（表1）依次制得對(duì)照組Aj(A5、A6、A7)、實(shí)驗(yàn)組Ai(A1、A2、A3、A4) 、固化劑B、稀釋劑C 。其中對(duì)照組A5除樹脂添加量不同、顏色不同（聯(lián)邦色卡號(hào)為37886，即顏料的成分配比不同，顏料的質(zhì)量百分比與實(shí)驗(yàn)組Ai保持一致），其他與Ai相同。對(duì)照組A6與實(shí)驗(yàn)組Ai相比較，除樹脂添加量不同、顏色不同（聯(lián)邦色卡號(hào)為27886，即顏料的成分配比不同，顏料的質(zhì)量百分比與實(shí)驗(yàn)組Ai保持一致），消光粉的含量比實(shí)驗(yàn)組Ai少4%，其他均相同。A7與實(shí)驗(yàn)組Ai相比，其樹脂添加量不同、顏色不同（聯(lián)邦色卡號(hào)為17886，即顏料的成分配比不同，顏料的質(zhì)量百分比與實(shí)驗(yàn)組Ai保持一致），且A7不含消光粉，研磨細(xì)度≤10μm，其他與實(shí)驗(yàn)組Ai保持一致。

隨著現(xiàn)代商業(yè)地產(chǎn)對(duì)停車位的需求、社會(huì)對(duì)消防和設(shè)備以及人防的要求越來越高，建筑工程中，地下室部分發(fā)揮著越來越重要的作用。地下室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足建筑功能和安全的前提下，盡可能地采用較為經(jīng)濟(jì)節(jié)約和環(huán)保的方法。

表1 蒙皮面漆配方Table 1 The formulation of skin topcoat

按照A：B：C=4：（0.5～1.5）：2比例混合Ai、B、C及Aj、B、C，分別噴涂（壓槍法噴涂）在阿洛丁處理的鋁合金板材及馬口鐵上，噴涂的膜厚為20～40 μm，常溫干燥24h后，再放置60℃的烘箱中3h即制得所需試板。

1.4 性能測(cè)試及方法

涂料成膜后性能測(cè)試見表2，包含漆膜的附著力、沖擊性、硬度、耐性等。本文在研究丙烯酸體系的高光、半光、無(wú)光漆膜（對(duì)照組）的耐污性能后，發(fā)現(xiàn)無(wú)光漆膜的耐污性能較差，然后摻入自合成的改性氟碳樹脂，并著重于除耐沾污性能外的其他性能都達(dá)到的前提下（或者更優(yōu)異），對(duì)無(wú)光漆膜耐沾污性的影響。

表2 涂料的指標(biāo)要求及測(cè)試方法Table 2 The index requirements and testing methods of coatings

1.4.1 光澤度的測(cè)試

在規(guī)定光源和接收器角度條件下，樣品在鏡面反射方向的反射光光通量與玻璃標(biāo)樣在該鏡面反射方向的反射光光通量之比即為光澤度值，標(biāo)樣是折射率為1.567的拋光黑色玻璃在幾何角度為60度下，設(shè)定其鏡面光澤度值為100（光澤單位）。測(cè)試不同樣板的光澤。取多次測(cè)量的平均值。

1.4.2 接觸角的測(cè)試

接觸角：是指在氣、液、固三相交點(diǎn)處所作的氣-液界面的切線穿過液體與固-液交界線之間的夾角θc，如圖1所示。

圖1 接觸角示意圖Fig. 1 The schematic diagram of contact angle

使用接觸角測(cè)定儀OCA 50Pro, 對(duì)實(shí)驗(yàn)組及對(duì)照組的噴漆后的鋁合金板測(cè)試，多次測(cè)量θc并取其平均值。

DektakXT探針式輪廓儀是采用精確的激光技術(shù)來測(cè)量材料的表面粗糙度。將制得的鋁合金（或馬口鐵）板材放置在載物臺(tái)上，測(cè)得實(shí)驗(yàn)組及對(duì)照組的漆膜粗糙度，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

1.4.4 漆膜表面形貌的觀測(cè)

掃描電鏡（SEM）分析是利用二次電子信號(hào)成像來觀察樣品的表面形態(tài)。裁剪5mm×5mm干燥后的鋁合金板，采用掃描電鏡TM3030Plus，觀察實(shí)驗(yàn)組及對(duì)照組漆膜表面的形態(tài)。

1.4.5 耐沾污測(cè)試方法

采用美軍標(biāo)MIL-PRF-85285D 中規(guī)定的方法。

（1）人工污染物的制備：將（50.0±0.5）g碳黑與（500.0±1.0） g液壓油（符合MIL-PRF-83282），按照比例混合于儲(chǔ)存容器中，并在高剪切力下，高速分散15min，使兩者充分混合。每次使用前，都要將該污染物進(jìn)行充分?jǐn)嚢杈鶆颉?/p>

（2）測(cè)試過程：將制備好的樣板用1%的清潔劑徹底清洗干凈，在（49±2）℃下至少烘烤 18h后，用色差儀測(cè)得其亮度值L，記為A；然后在樣板表面用軟毛刷刷上人工污染物，涂刷均勻，再用吸油紙將樣板表面多余的油盡量吸干，并且用5磅重的橡膠棒進(jìn)行擠壓，重復(fù)以上步驟兩次后，將樣板在（105±2）℃烘烤60min，用色差儀測(cè)得其亮度值L，記為B；樣板烘干后用清潔劑進(jìn)行清洗，直到樣板上的人工污染物清洗干凈為止，烘干后，測(cè)得亮度值L，記為C。

（3）清潔率計(jì)算。涂層清潔率（%）的計(jì)算式為：清潔率=[(C-B)/(A-B)]×100。

將制得的實(shí)驗(yàn)組鋁合金板及對(duì)照組鋁合金板用上述耐沾污測(cè)試方法測(cè)得數(shù)據(jù)（多次測(cè)試取平均值）。

2 結(jié)果與討論

2.1 漆膜的耐沾污性

樣板刷完人工污染物并在105℃干燥1h后與清洗劑清洗烘干后的對(duì)比圖如圖2所示，具體數(shù)據(jù)見表3。

圖2 耐沾污對(duì)比圖Fig. 2 The comparison chart of stain resistance

表3 耐沾污測(cè)試數(shù)據(jù)Table 3 The test data of stain resistance

由圖2及表3的數(shù)據(jù)可知，A1、A5的清潔率均低于60%，A2的清潔率低于90%，A3、A4、A6、A7清潔率均高于90%。

2.2 漆膜粗糙度對(duì)耐污性的影響

表4為不同光澤下漆膜的粗糙度、接觸角及漆膜外觀數(shù)據(jù)。A5、 A6、A7分別為丙烯酸體系的無(wú)光、半光、高光漆膜。由涂料的制備過程可知，消光粉的添加量影響漆膜的光澤。光澤越高，消光粉添加量越少，其漆膜表面越光滑。由表4可知，丙烯酸體系的半光及高光漆膜的耐污性都很好，丙烯酸體系的無(wú)光漆膜耐污性較差。

表4 對(duì)照組漆膜的粗糙度、接觸角及漆膜外觀Table 4 The roughness, contact angle and appearance of the paint of the control grop

如圖3所示，分別為A5、 A6、A7的掃描電鏡圖，丙烯酸體系的半光及高光漆膜較為平整，無(wú)光漆膜則因消光粉添加量較多，導(dǎo)致其表面凹凸不平。在涂料的制備過程中，消光粉為后補(bǔ)加，其添加量對(duì)涂層的表面粗糙度有著重要的影響作用，隨著消光粉量的增加， PVC（顏料體積濃度）值增大，涂層結(jié)構(gòu)致密，漆膜的耐沾污性表現(xiàn)優(yōu)異；當(dāng)PVC值超過CPVC（臨界顏料體積濃度）時(shí)，會(huì)導(dǎo)致涂膜的結(jié)構(gòu)不致密，存在大量的微細(xì)孔隙，導(dǎo)致其表面凹凸不平，表面粗糙度（Ra值）急劇增大，細(xì)小的污染物容易侵入并滯留在漆膜里，從而造成耐沾污性變差。

圖3 對(duì)照組掃描電鏡圖Fig. 3 The scanning electron microscopy images of the control group

2.3 氟碳樹脂的添加量對(duì)耐污性的影響

飛機(jī)在惡劣環(huán)境中的污染物根據(jù)親水及親油性，分為親水型和疏水型兩類，針對(duì)這兩種類型的污染物，市場(chǎng)研究開發(fā)了疏水型自清潔涂料和親水型自清潔涂料[2]。本文選擇具有低表面能的氟碳樹脂復(fù)配丙烯酸樹脂，從而減小漆膜表面張力，減輕污染物黏附[3-4]，提高耐沾污性。

如圖4所示，為不同氟碳樹脂添加量下的掃描電鏡圖。A1、A2漆膜的表面顆粒明顯多于A3、A4。當(dāng)全為氟碳樹脂時(shí)，耐污性能優(yōu)異，但相應(yīng)的涂料的成本增加，因此選擇合適的樹脂混合比例（氟碳樹脂與丙烯酸樹脂的比例約為1：1時(shí)）既能滿足性能要求，又能降低成本。

圖4 實(shí)驗(yàn)組掃描電鏡圖Fig. 4 The scanning electron microscopy images of the experimental group

由表5可知，含氟碳樹脂的無(wú)光漆膜的接觸角在100°～110°之間，表現(xiàn)出疏水性。無(wú)光漆膜表面狀態(tài)符合Wenzel模型[5-6]，Wenzel方程表示在微結(jié)構(gòu)化后粗糙表面表面張力將會(huì)放大。當(dāng)θc＜90°時(shí)，親水表面在微結(jié)構(gòu)化后，表面會(huì)更加的親水。而當(dāng)θc＞90°，疏水表面在微結(jié)構(gòu)化后，表面會(huì)更加的疏水[7]。且A3、A4的表面比A1、A2光滑，其PVC值未超過CPVC值。

表5 實(shí)驗(yàn)組漆膜表面粗糙度、光澤及漆膜外觀Table 5 The surface roughness, gloss and appearance of the paint of the experimental group

3 結(jié)論

（1）丙烯酸體系中的高光（光澤90以上）及半光（光澤20～40）漆膜的清潔率均高于90%，表明丙烯酸體系的半光及高光涂層的耐沾污性能非常好。丙烯酸體系的無(wú)光（光澤0～10）涂層清潔率略高于50%，無(wú)光丙烯酸涂層的耐沾污性能不佳。漆膜表面越粗糙，其耐沾污性越差。

（2）漆膜的光澤主要由消光粉的量決定，其添加量為：無(wú)光＞半光＞高光（高光添加量為零），在涂料的制備過程中，消光粉為后補(bǔ)加，其添加量對(duì)涂層的表面粗糙度有著重要的影響作用，隨著消光粉量的增加，PVC（顏料體積濃度）值增大，涂層結(jié)構(gòu)致密，漆膜的耐沾污性表現(xiàn)優(yōu)異；當(dāng)PVC值超過CPVC（臨界顏料體積濃度）時(shí)，會(huì)導(dǎo)致涂膜的結(jié)構(gòu)不致密，存在大量的微細(xì)孔隙，導(dǎo)致其表面凹凸不平，表面粗糙度急劇增大，從而造成耐沾污性變差。

（3）氟碳樹脂具有較低的表面能和良好的疏水性，因而具有優(yōu)異的耐沾污性。將丙烯酸樹脂與氟碳樹脂混溶，可提高無(wú)光漆膜的耐沾污性。隨著氟碳樹脂量的增加，其清潔率逐步增大。當(dāng)氟碳樹脂占比較少時(shí)，耐沾污性能有提高，但未能達(dá)到90%以上。氟碳樹脂與丙烯酸樹脂的比例接近1：1時(shí)，則可制得無(wú)光耐沾污的蒙皮面漆，既能滿所需的性能要求，又能降低成本。