一種水性聚氨酯涂層紅外發(fā)射率的研究

肖圣榮，張 桐，王智勇，劉鵬瑞

?

一種水性聚氨酯涂層紅外發(fā)射率的研究

肖圣榮，張 桐，王智勇，劉鵬瑞

（北京航空材料研究院，北京 100095）

本文以鋁粉作為功能填料，分別與水性聚氨酯和溶劑型聚氨酯配合制備了紅外低發(fā)射率隱身涂層，并采用紅外光譜、掃描電鏡等手段測試了涂層的力學(xué)性能、耐溶劑性能和法向紅外發(fā)射率性能。結(jié)果表明，兩種功能涂層在力學(xué)性能和耐溶劑性能方面性能相當(dāng)。水性涂層在3～5mm和8～14mm窗口內(nèi)發(fā)射率分別為0.33和0.52，高于溶劑型涂層的0.32和0.39；涂層的發(fā)射率隨著鋁粉粒徑的增大而降低，當(dāng)粒徑約為45mm時(shí)，涂層的紅外發(fā)射率可降至0.34@3～5mm和0.42@8～14mm，這與溶劑型聚氨酯涂層的發(fā)射率相當(dāng)。因此，采用水性聚氨酯替代溶劑型聚氨酯制備低污染性、環(huán)境友好的紅外隱身涂層是有可能的。

水性涂料；聚氨酯；紅外隱身；紅外發(fā)射率

0 前言

隨著探測手段的不斷發(fā)展，紅外探測技術(shù)已成為戰(zhàn)場偵測和武器制導(dǎo)所使用的重要手段之一，已成為繼雷達(dá)探測之后又一嚴(yán)重威脅各種軍事目標(biāo)的探測手段[1-3]。通過在飛行器表面涂覆發(fā)射率較低的紅外發(fā)射率隱身涂層，能夠有效降低紅外輻射特征值，從而達(dá)到紅外隱身效果。目前國內(nèi)使用的紅外隱身涂料均采用各種溶劑型樹脂作為涂層的粘結(jié)劑體系，因此含有大量的有機(jī)溶劑，在涂料施工過程中會造成環(huán)境污染，并極易危害施工人員的身體健康[4-5]。

隨著人們環(huán)保意識的增加，以及各個(gè)國家對VOC（Volatile Organic Compound，揮發(fā)性有機(jī)化合物）排放量的嚴(yán)格限制，綜合性能優(yōu)良、又具備環(huán)保、無毒、低VOC排放量的水性聚氨酯涂料有著廣闊的應(yīng)用前景[6-8]。水性聚氨酯涂料具有與溶劑型聚氨酯相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能之外，還有環(huán)保、無毒、低氣味等優(yōu)點(diǎn)。水性聚氨酯涂料在軍用產(chǎn)品有著廣泛的用途，在一些領(lǐng)域已完全替代溶劑型聚氨酯使用，如飛行器內(nèi)表面用涂料、各種軍事裝備、設(shè)施的防護(hù)、裝飾用涂料等[9-12]。但對于具有特殊功能的水性聚氨酯涂料的研究相對較少，在紅外低發(fā)射率涂層研制領(lǐng)域，還沒有水性聚氨酯的應(yīng)用報(bào)道。

本文采用雙組分的水性聚氨酯作為紅外低發(fā)射率涂料的粘結(jié)劑體系，配合經(jīng)過二氧化硅薄層包覆處理過的水性鋁銀漿制備出具有低發(fā)射率的功能涂層[13]，將水性聚氨酯涂料的優(yōu)異的力學(xué)性能、環(huán)保、低VOC含量等特點(diǎn)引入低紅外發(fā)射率功能涂層，探索了雙組份水性聚氨酯涂料用于紅外隱身涂料的可能性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用的主要原材料見表1。

1.2 涂層制備

水性聚氨酯清漆涂層采用水性羥基丙烯酸樹脂Bayhydrol xp2542和水性二異氰酸酯Bayhydur xp2655配合制成，溶劑型聚氨酯清漆涂層采用羥基丙烯酸樹脂Desmophen A870和二異氰酸酯Desmodur N3400配合制成。制備紅外低發(fā)射率涂層則在上述粘結(jié)劑體系中分別加入一定比例的鋁銀漿、顏料及功能性助劑，采用錐形磨研磨分散，采用壓縮空氣噴涂在100 mm×50 mm×1 mm的鋁板上，噴涂之前需對基板進(jìn)行預(yù)處理：除油除銹→水洗→砂紙打磨→丙酮擦洗→烘干待用；噴涂時(shí)控制噴涂壓力在0.2～0.4 MPa，涂層厚度控制在40～50mm，涂層表干后，置于80℃烘箱烘烤2 h后，再進(jìn)行相關(guān)的性能測試。

1.3 涂層測試與表征

采用CI SR5000型紅外光譜輻射計(jì)及CI公司（以色列）制造的標(biāo)準(zhǔn)腔黑體測試涂層在50℃下的法向紅外發(fā)射率；采用CamScan3100掃描電子顯微鏡（英國）對涂層樣品進(jìn)行微觀表面形貌分析；采用尼高力（Nicolet）AVATAR370傅里葉紅外光譜儀（美國）進(jìn)行涂層固化前后官能團(tuán)結(jié)構(gòu)表征；采用磁性測厚儀測量涂層的厚度；參照《GB/T 6739-2006色漆和清漆鉛筆法測定漆膜硬度》測試涂層的鉛筆硬度；參照《GB/T 1732-1993漆膜耐沖擊測定法》，采用漆膜沖擊器測試涂層的耐沖擊性能；參照《GB/T 1731-1993漆膜柔韌性測定法》，采用漆膜彎曲實(shí)驗(yàn)器表征涂層的柔韌性能；參照《GB/T 9286-1998色漆和清漆漆膜的劃格試驗(yàn)》，采用漆膜附著力實(shí)驗(yàn)儀測試涂層的附著力；參照標(biāo)準(zhǔn)《HG2-1611-85漆膜耐油性測定法》測試涂層的耐液體介質(zhì)性。

2 結(jié)果與討論

2.1 兩種聚氨酯涂層的力學(xué)性能比較

本文分別采用水性聚氨酯和溶劑型聚氨酯制備涂層，(-NCO)與(-OH)的比例均為1.5。力學(xué)性能測試選擇了涂料行業(yè)中最常見的鉛筆硬度、柔韌性、耐沖擊性和附著力（劃格法）。耐溶劑性能則選擇了航空涂層材料最常見的3種溶劑油。測試結(jié)果如表2和表3所示。

表1 實(shí)驗(yàn)原材料

表2 兩種聚氨酯涂層的力學(xué)性能比較

表3 兩種聚氨酯涂層耐溶劑后的性能

從表2中可以看出，水性聚氨酯和溶劑型聚氨酯制備的涂層在柔韌性、耐沖擊性、附著力和鉛筆硬度性能上沒有明顯差異。從表3可知，經(jīng)過3種溶劑的浸泡后，水性聚氨酯涂層的鉛筆硬度和附著力均下降了2～3個(gè)等級，比溶劑型聚氨酯涂層稍差；這是因?yàn)樗跃郯滨ネ繉訛榱双@得較好的涂層表面狀態(tài)，降低體系表面張力和提高顏料和填料在體系中的良好分散，加入了一定量的水性分散劑、基材潤濕劑和流平劑等助劑，該類助劑多以聚丙烯酸鈉鹽溶液和聚醚改性聚二甲基硅氧烷等小分子為主，在溶劑油的浸泡下，體系的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)更容易溶脹，在測試過程中，涂層受到外力作用，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)更容易破壞，造成水性涂層的力學(xué)性能下降程度比溶劑型涂層更多。

2.2 兩種聚氨酯制備的紅外低發(fā)射率涂層性能比較

2.2.1 兩種聚氨酯清漆的發(fā)射率性能比較

首先表征了兩種粘結(jié)劑體系自身的紅外發(fā)射率性能，并在相同條件下分別制備了兩種聚氨酯粘結(jié)劑的清漆涂層，并測試了兩種清漆涂層的紅外發(fā)射率性能，測試結(jié)果如表4所示。

表4 兩種聚氨酯清漆的法向紅外發(fā)射率測試結(jié)果（T＝50℃）

從表4可知，水性聚氨酯涂層在8～14mm紅外窗口的發(fā)射率比溶劑型聚氨酯涂層要高。圖1為兩種涂層紅外光譜圖，從圖1可知，在1148cm－1處和765cm－1處兩種聚氨酯涂層均存在特征吸收峰，分別為C-C(=O)-O酯鍵的吸收峰和-NH鍵的面外彎曲吸收峰，但是水性聚氨酯涂層的紅外特征吸收峰的相對強(qiáng)度明顯高于溶劑型聚氨酯涂層的吸收峰強(qiáng)度；由于樹脂的紅外透明性能由其所含化學(xué)鍵、官能團(tuán)以及分子結(jié)構(gòu)所決定，因此水性聚氨酯涂層的紅外透明性更差[14]，即樹脂的紅外吸收強(qiáng)度更高；根據(jù)熱平衡輻射體，當(dāng)溫度不變時(shí)，物體與外界能量交換的過程是平衡的，物體的發(fā)射率等于吸收率，所以水性聚氨酯涂層的紅外發(fā)射率更高些。

2.2.2 兩種聚氨酯制備的紅外低發(fā)射率涂層性能比較

采用粒徑相同的水性片狀鋁粉和溶劑型鋁粉作為功能填料，分別加入到水性聚氨酯和溶劑型聚氨酯體系中，制備出紅外低發(fā)射率涂層（鋁粉含量均為13%）。測試兩種涂層的紅外發(fā)射率性能，結(jié)果如表5所示。

圖1 水性和溶劑型聚氨酯兩種涂層的紅外光譜

表5 兩種聚氨酯制備的紅外隱身涂層法向發(fā)射率測試結(jié)果（T＝50℃）

從表5可知，水性聚氨酯涂層在3～5mm和8～14mm兩個(gè)波段的紅外發(fā)射率比溶劑型涂層紅外發(fā)射率更高。這可能是由下面兩個(gè)原因造成的：一是水性涂層本身所采用的粘結(jié)劑體系的紅外發(fā)射率較高，而溶劑型涂層的粘結(jié)劑體系的紅外發(fā)射率較低；二是涂層的表面狀態(tài)及鋁粉作為功能性填料在兩個(gè)涂層中的分散狀態(tài)存在較大差別，從而影響了涂層的紅外發(fā)射率性能。圖2是兩種涂層的SEM圖，從中可以分析得到鋁粉在涂層中的分散狀態(tài)及其對涂層發(fā)射率的影響。

圖2(a)為雙組份水性聚氨酯涂層的SEM，圖2(b)為溶劑型所聚氨酯涂層的SEM。從圖2(a)中可以看出，水性聚氨酯涂層表面的片狀鋁粉含量少，分散不均勻，有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，這主要由于水性鋁粉表面經(jīng)過二氧化硅包覆處理，并接枝憎水性基團(tuán)，鋁粉在體系里的分散性和懸浮性比較差，不能在樹脂表面有效形成連續(xù)的鋁粉反射層，從而涂層表面樹脂含量高，造成涂層表面對紅外輻射的多重散射和吸收，最終導(dǎo)致涂層的紅外發(fā)射率高；從圖2(b)可知，溶劑型涂層表面片狀鋁粉在基體中分散均勻，主要是由于溶劑型配方主要的溶劑為醇醚類溶劑，對鋁粉有更好懸浮性和分散平鋪效果，從而形成較高含量的鋁粉平鋪排列、致密的鋁粉層，使得涂層表面能對紅外輻射形成較好的鏡面反射，根據(jù)基爾霍夫定律，反射率增加，涂層的吸收率就相應(yīng)降低，因此，水性聚氨酯涂層的紅外發(fā)射率要高于溶劑型聚氨酯涂層。

2.3 鋁粉粒徑對水性聚氨酯涂層紅外發(fā)射率的影響

在相同實(shí)驗(yàn)條件下，分別采用不同粒徑的水性片狀鋁粉與水性聚氨酯配合制備紅外低發(fā)射率功能涂層（鋁粉含量均為13%），以研究片狀鋁粉對涂層紅外發(fā)射率的影響。在同樣的溫度條件下測試了涂層的紅外發(fā)射率性能，測試結(jié)果如表6所示。

從表6中可以看出，隨著鋁粉粒徑的增加，涂層的發(fā)射率逐漸降低。這主要是因?yàn)椋緦?shí)驗(yàn)選擇的鋁粉為魚鱗片狀鋁粉，隨著鋁粉粒徑的增加，鋁粉的比表面積減小，鋁粉更容易在涂層表面平鋪排列，在涂層表面形成致密的鋁膜，使得涂層表面單位面積中樹脂的含量減少，涂層的紅外發(fā)射率逐漸降低。通過涂層掃描電鏡分析可解釋這一結(jié)論，圖3為不同粒徑鋁粉所制備涂層的掃描電鏡圖，從圖中可以看出，鋁粉粒徑越小，涂層表面的樹脂含量越多，鋁粉越雜亂無章的分布在樹脂中，無法在涂層表面平鋪形成鋁膜，不能有效地降低涂層發(fā)射率；相反，隨著鋁粉的粒徑增加，涂層表面的樹脂含量減少，此時(shí)樹脂起到粘接的作用，片狀鋁粉會富集于涂層表面，形成反射率較高的鋁粉層，從而有效地降低涂層的紅外發(fā)射率。

因此，通過優(yōu)化配方、工藝條件，即當(dāng)鋁粉含量為13%時(shí)，調(diào)整片狀鋁粉的粒徑，可以制備出紅外發(fā)射率在0.42的水性聚氨酯涂層，性能和溶劑型聚氨酯涂層（8～14mm＝0.39）相當(dāng)，結(jié)合水性聚氨酯涂層優(yōu)異的力學(xué)性能和低污染、環(huán)保等優(yōu)勢，采用水性聚氨酯有代替溶劑型聚氨酯是可能的。

3 結(jié)論

1）雙組份水性聚氨酯涂層的力學(xué)性能和耐溶劑性能（如鉛筆硬度、附著力、柔韌性）與溶劑型雙組份聚氨酯涂層的水平相當(dāng)。

2）添加粒徑相同的水性鋁粉后雙組份水性聚氨酯涂層的紅外發(fā)射率分別為0.33和0.52，高于溶劑型涂層的紅外發(fā)射率。

3）通過優(yōu)化配方工藝，當(dāng)鋁粉粒徑為45mm、鋁粉含量為13%時(shí)，雙組份水性聚氨酯涂層在3～5mm和8～14mm波段的紅外發(fā)射率分別為0.34和0.42，與溶劑型聚氨酯涂層相當(dāng)，采用低污染性、環(huán)境友好的水性聚氨酯替代溶劑型聚氨酯是可能的。

圖2 兩種聚氨酯涂層（鋁粉含量為13%）的微觀形貌

表6 不同粒徑的鋁粉對水性聚氨酯涂層紅外發(fā)射率性能的影響

圖3 不同粒徑的鋁粉制備涂層的微觀形貌圖

[1] 樂洪宇. 紅外隱身技術(shù)與隱身涂料的發(fā)展[J]. 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù), 2011(5): 121-126.

LE Hong-yu. Development of infrared stealth technology and stealth coating[J]., 2011(5): 121-126.

[2] 付偉. 紅外隱身原理及其應(yīng)用技術(shù)[J]. 紅外與激光工程, 2002, 31(1): 87-93.

FU Wei. Principle and application technology of IR stealth[J]., 2002, 31(1): 87-93.

[3] 張偉鋼, 徐國躍, 薛連海. 低紅外發(fā)射率材料研究進(jìn)展[J]. 紅外技術(shù), 2015, 37(5):361-367

ZHANG Wei-gang, XU Guo-yue, XUE Lian-hai. Research progress of low infrared emissivity materials[J]., 2015, 37(5): 361-367.

[4] 游敏聰, 杜仕國, 施冬梅. 紅外隱身涂料黏合劑的應(yīng)用與研究[J].現(xiàn)代涂料與涂裝, 2006(7): 50-54.

YOU Yu-cong, DU Shi-guo, SHI Dong-mei. Application and research of the infrared camouflage coatings[J]., 2006(7): 50-54.

[5] CRISTIANE C SANTOS, MARCIA C DDELPECH, FERNANDA M B C. Thermal and mechanical profile of cast films from waterborne polyurethanes based on polyether block copolymers[J]., 2009, 44(5): 1317-1323.

[6] 李金旗. 用于水性雙組分聚氨酯涂料的水性樹脂和水可分散聚異氰酸酯[J]. 上海涂料, 2008, 46(10): 21-24.

LI Jin-qi. The aqueous resin and dispersible polyisocyanate for waterborne two-component polyurethane coatings[J].,2008, 46(10): 21-24.

[7] KIM B K, LEE J C. Waterborne polyurethanes and their properties[J].:, 1996, 34(2): 1095-1104.

[8] WERNER J B, VALENTINO J. Properties of crosslinked polyurethane dispersions[J]., 2009, 27(4): 1-15.

[9] NTANOV J, BLANK J. Crosslinking of waterborne polyurethane dispersions[J]., 1995, 848(67): 88-97.

[10] BRUCHMANN B, WOLFF S, HEIDER W, et al. Preparation of biuret containing polyisocyanate. US, 7022874[P]. 2006-04-04.

[11] 王庭慰, 程從亮, 張其土. 8～14mm波長低紅外發(fā)射率涂料的研究[J]. 光學(xué)技術(shù), 2005, 31(4): 598-602.

WANG Ting-wei, CHENG Cong-liang, ZHANG Qi-tu. Study on low infrared emissivity of coating in 8～14mm[J]., 2005, 31(4): 598-602.

[12] 陳紅. 水性聚氨酯涂料技術(shù)進(jìn)展[J]. 涂料工業(yè), 2006, 36(3): 47-51.

CHEN Hong. Progress on waterborne Polyurethane coatings[J]., 2006, 36(3): 47-51.

[13] 葉圣天, 劉朝輝, 賈藝凡, 等. 填料表面改性技術(shù)在紅外隱身涂料中的應(yīng)用[J]. 紅外技術(shù), 2015, 37(12): 1058-1062.

YE Sheng-tian, LIU Zhao-hui, JIA Yi-fan, et al. Research on surface modification of fillers in infrared stealth coatings[J]., 2015, 37(12): 1058-1062.

[14] 汪金花, 張興元, 戴家兵. 不同軟段聚氨酯的紅外光譜定量分析[J]. 分析化學(xué)研究報(bào)告, 2007(7): 964-968.

WANG Jin-hua, ZHANG Xing-yuan, DAI Jia-bing. Quantitative analysis of polyurethane with different soft segments[J]., 2007(7): 964-968.

The Research on the Infrared Emissivity of Water-borne Polyurethane Coatings

XIAO Shengrong，ZHANG Tong，WANG Zhiyong，LIU Pengrui

(,100095,)

In this paper, the low infrared emissivity coatings are prepared by adding aluminium powder as a functional filler to two components of water-borne polyurethane and solvent-borne polyurethane respectively. The mechanical properties, the solvent resistance property and the infrared emissivity of the coatings are investigated with infrared spectrums and scanning electron microscopy. The results indicate that mechanical properties and resistance to liquids of such two kinds of coatings are equal. The infrared emissivity of water-borne polyurethane coatings with aluminium powder is 0.33@3～5mm and 0.52@8～14mm, while the coatings of solvent-borne polyurethane is 0.32 and 0.39; the infrared emissivity of coatings decreases with sizes of aluminium powder increase；when the size of aluminium powder is 45mm, the infrared emissivity of the coatings is 0.341 and 0.421, which is equal to the solvent-borne polyurethane coatings. Therefore, the low pollution and environmentally friendly properties of water-borne polyurethane probably make it be alternative to the solvent-borne polyurethane for preparing the low infrared emissivity coatings.

water-borne coatings，polyurethane，infrared stealthy，the infrared emissivity

TQ630.7

A

1001-8891(2016)02-0107-05

2015-10-21；

2015-12-06.

肖圣榮（1989-），男，碩士研究生，主要從事低紅外發(fā)射率涂料和雷達(dá)隱身涂料的研發(fā)生產(chǎn)。E-mail：yunpandianying2015@163.com。