環氧-聚氨酯涂料在復合材料上的涂裝研究

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(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)

環氧-聚氨酯涂料在復合材料上的涂裝研究

王黎，阮潤琦，郭年華，薛玉華，步明升，汪威

(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)

通過拉拔附著力試驗，確定了環氧底漆和聚氨酯透明漆在碳纖維復合基材上采用濕-濕涂裝工藝，漆膜與基材具有良好的附著力，同時具有優良的層間附著力，滿足使用要求。

碳纖維復材，環氧底漆，聚氨酯透明漆，涂裝工藝

碳纖維復合材料由碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合制成的纖維增強材料，具有低密度、高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕等諸多優點，廣泛用于現代工業制造領域[1-8]。在航空航天領域，用于制造發動機風扇葉片，使發動機具有更高的涵道比、更低的質量，具有高效率、低噪聲、較低燃油消耗率、抗顫振等優勢[9-10]；隨著碳纖維材料的不斷改進和功能優化，其與鋁合金、鈦合金、合金鋼一起成為飛機機體的四大先進結構材料，在飛機制造中的應用比例不斷增加，小型商務飛機和直升飛機上的使用量已占70%～80%，軍用飛機上占30%～40%，大型客機上占15%～50%[1-3]；以碳纖維復合材料制造的空間反射鏡，具有高精度和良好的穩定性，是空間光學系統大型化和輕量化發展的優選材料[11-12]；以碳纖維復合材料為結構材料的空間太陽能電池陣，能經受軌道飛行中日照期和星蝕期的環境溫度交替變化，及重返大氣層時的高溫環境[13]。此外，碳纖維復合材料在船舶制造、海上能源開發、海洋工程修復等領域發揮著越來越大的作用，如在艦船的上層建筑中使用碳纖維復合材料不僅可以減輕船體的重量，而且通過在夾層中嵌入有濾波功能的頻率選擇層，就可以在預定的頻率下發射和接受電磁波，從而屏蔽敵方的雷達電磁波；在推進系統上可用作螺旋槳和推進軸系，減輕船體的振動效應和噪聲等[14]。

隨著碳纖維材料應用的廣泛性，碳纖維保護涂層及其涂裝工藝的研究和應用也越來越多。如李霞等研制的耐高溫隔熱涂料——環氧改性有機硅涂料，用于保護碳纖維復合材料制備的發射筒在受到高溫燃氣流的沖刷時免于受損[15]；岳海亮等通過剝離實驗研究了不同表面處理方式對聚氨酯彈性體與碳纖維復合材料層合板界面粘接強度的影響[16]；熊道武等研究了碳纖維復合材料的涂裝烘烤工藝等[17]。

本文通過拉拔附著力試驗，對比了濕-濕涂裝和干膜涂裝兩種涂裝方式對漆膜層間附著力的影響，確定了有色環氧底漆、無色環氧底漆和聚氨酯透明漆在碳纖維復材上的涂裝工藝。

1 復材與涂料

1.1 復合材料的涂裝要求

所涂裝的復合材料由兩部分組成，主體部分為碳纖維復合材料，側邊包覆金屬復合材料；要求在碳纖維復合材料部分涂覆有色底漆，在金屬復合材料部分涂覆無色透明底漆，整體涂覆罩光清漆，涂層系統厚度小于60μm；涂覆方式為常規空氣噴涂；由于在使用過程中受到外力沖擊，要求漆膜具有良好的抗沖性能、打磨性能、層間附著力及干燥性能，可以在室溫和加熱方式下干燥固化，便于修補。

1.2 基材處理

由于復合材料表面有一層脫模劑，在涂裝前需對表面進行處理，先對表面進行清洗，再用300目以上砂紙對表面進行徹底打磨，最后用乙醇擦拭干凈。

1.3 涂料應用說明

試驗中以未包邊的碳纖維復材平板為樣板，分兩種情況：(1)碳纖維復材和金屬復材臨界部分的涂層體系為有色底漆+無色透明底漆+罩光清漆，(2)碳纖維復材其它部分為有色底漆+罩光清漆。

根據材料的結構特點，底漆選用環氧底漆，包括有色環氧底漆和無色環氧底漆；罩光清漆選用聚氨酯透明漆。環氧底漆的樹脂體系為環氧樹脂(NPES-901和E-44)、聚氨酯改性環氧樹脂(自合成)為基料，和改性胺、聚酰胺固化劑組成；環氧樹脂分子鏈中含有羥基、醚基團(-C-O-C-)等極性基團，可與基材表面形成氫鍵，使涂膜在基材表面具有很高的粘附力，同時，環氧樹脂在固化過程中是直接加成反應或樹脂分子中環氧基的開環聚合反應，沒有水或其它揮發性副產物放出，收縮性低，產生的內應力小，有助于提高樹脂的附著力；聚氨酯改性環氧樹脂具有網狀結構，穩定性好，有很好的柔韌性和延展性，對漆膜有很好的增韌效果，提高漆膜的抗沖擊性能和拉伸強度；配合韌性、快干、防腐的胺類固化劑，該樹脂體系組成的涂料適合于在復合材料、金屬基材上的應用。

有色環氧底漆和無色環氧底漆的區別主要在于顏填料、助劑、顏基比，有色環氧底漆涂覆在多孔的復材表面，所用顏填料具有填充效果好、遮蓋力高的特點，顏基比60%～70%；無色環氧底漆，填料采用遮蓋力小的打磨粉料，顏基比70%～80%；助劑均不用硅氟類的助劑，減少對層間附著的影響。

聚氨酯透明漆，由耐候性好、保光保色性能好的長鏈脂肪族聚酯樹脂和聚氨酯固化劑組成樹脂體系，具有優異的柔韌性、抗沖擊、耐高低溫沖擊等性能；在不影響光澤和漆膜透明度的情況下添加了無遮蓋力的易打磨粉料和樹脂，提高漆膜的打磨性，便于漆膜的修補和重涂。

有色環氧底漆、無色環氧底漆和聚氨酯透明漆在馬口鐵板上的漆膜性能如表1所示。

表1 漆膜性能Table 1 Film performance

1.4 拉拔附著力測試

通過拉拔附著力測試對漆膜附著力的情況進行試驗。拉拔儀為美國狄夫斯高 (DeFelsko)拉脫法附著力測試儀(PosiTest? Pull-Off Adhesion Tester)；鋁錠柱子的直徑為20mm；膠為改性丙烯酸酯膠黏劑302膠，市售。試驗過程：將被測試板表面打磨，用乙醇擦拭干凈，將鋁錠柱子用302膠粘在試板上，室溫放置24h，用銳利的刀子延鋁柱的周線，切透固化了的膠和涂層直至底材，然后用拉拔儀進行測試。

2 在復合材料上的涂裝工藝

2.1 在碳纖維復材平板上的涂裝工藝比較

涂裝采用濕-濕涂裝和干膜涂裝，拉拔附著力測試，對比兩種涂裝工藝對層間附著力的影響。濕-濕涂裝即在表干狀態下，噴涂第二道漆；干膜涂裝即第一道漆實干后，細砂紙打磨，然后噴涂第二道漆。

樣板A涂裝過程如圖1所示，其拉拔試驗結果如圖2所示；樣板B為干膜涂裝，其涂裝過程如圖3所示，拉拔試驗結果如圖4所示。

圖1 樣板A涂裝過程Fig.1 The coating process of sample A

圖2 樣板A拉拔附著力試驗Fig.2 Pull-Off Adhesion test of sample A

結合圖1、圖2可以看出，有色環氧底漆+聚氨酯透明漆不管是濕-濕涂裝(A-1)還是干膜涂裝(A-2)，在拉拔試驗中都是有色環氧底漆從基材上完全拉起，說明有色環氧底漆與聚氨酯透明漆層間附著良好，兩種涂裝方式對其層間附著沒有明顯影響。有色環氧底漆+無色環氧底漆(A-3)(濕-濕涂裝)在做拉拔試驗時，從膠斷開，沒有漆膜層間斷裂；在A-4區域，有色環氧底漆+無色環氧底漆為濕-濕涂裝，無色環氧底漆+聚氨酯透明漆為干膜涂裝，拉拔試驗拉拔起部分底漆，白色部分為膠，沒有明顯涂層間分離面。

圖3 樣板B涂裝過程Fig.3 The coating process of sample B

圖4 樣板B拉拔附著力試驗Fig.4 Pull-Off Adhesion test of sample B

從圖3、圖4看出，B-2和B-3區域拉拔試驗從涂層間斷開，用細砂紙打磨基材上的斷面，有紅色粉末，說明漆膜是從有色環氧底漆與無色環氧底漆層間斷開；并且在用小刀切鋁柱周線時，涂層有明顯的斷層；說明干膜涂裝不利于有色環氧底漆和無色環氧底漆的層間契合。

通過試驗對比，發現聚氨酯透明漆與環氧底漆在濕-濕涂裝和干膜涂裝兩種涂裝方式下均具有較好的層間附著力；而濕-濕涂裝更有利于有色環氧底漆與無色環氧底漆的漆膜層間契合。

2.2 涂裝工藝的確定

采用濕-濕涂裝工藝，減少涂裝時間間隔，通過樣板C試驗對濕-濕涂裝進行確定，樣板C涂裝過程如圖5所示，拉拔試驗結果如圖6所示。從圖中可以看到，有色環氧底漆+無色環氧底漆(C-1)，斷裂面在無色環氧底漆和膠之間，有色環氧底漆與無色環氧底漆沒有明顯斷裂面，說明在濕-濕涂裝情況下，有色環氧底漆與無色環氧底漆有良好的層間附著力；有色環氧底漆+聚氨酯透明漆(C-3)，在拉拔試驗中，除右側兩個鋁柱是膠與聚氨酯透明漆斷開外，其余6個鋁柱均是底漆與基材分離，說明聚氨酯透明漆在打磨過的環氧底漆上附著良好，沒有分層等缺陷。

圖5 樣板C涂裝過程Fig.5 The coating process of sample C

圖6 樣板C拉拔附著力試驗Fig.6 Pull-Off Adhesion test of sample C

通過試驗，確定在碳纖維復材平板上的涂裝工藝如下：(1)清洗、打磨復材平板備用；(2)噴涂有色環氧底漆，厚度(20～25)μm，室溫下放置(1～2)h；(3)噴涂無色環氧底漆，厚度(20～25)μm，室溫下放置(16～17)h，用300目以上的砂紙打磨，乙醇擦拭干凈，噴涂聚氨酯透明漆；或者室溫下放置(1～2)h后，放置在60℃的烘箱中30min，取出，冷卻至室溫，用300目以上的砂紙打磨，乙醇擦拭干凈，噴涂聚氨酯透明漆，厚度(20～25)μm。

3 結語

根據復合材料的組成特點(碳纖維復合材料，側邊金屬復材包邊)和涂裝要求，確定了涂料種類為有色環氧底漆、無色環氧底漆和聚氨酯透明漆；通過拉拔附著力測試，對比了濕-濕涂裝和干膜涂裝兩種涂裝方式對漆膜層間附著力的影響，確定了涂料在復材上的涂裝工藝為：先噴涂有色環氧底漆，室溫放置1h～2h，再噴涂無色環氧底漆，可在室溫放置17h后，打磨，涂裝聚氨酯透明漆，或者室溫放置1h～2h后，置于60℃烘箱中30min，冷卻至室溫打磨，再噴涂聚氨酯透明漆。該涂裝工藝有利于涂層間的良好契合，干膜具有良好的層間附著力。

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ApplicationofEpoxyPrimerandPolyurethaneCoatingonCarbonFiberComposite

WANG Li，RUAN Run-qi，GUO Nian-hua，XUE Yu-hua，BU Ming-sheng，WANG Wei

(Marine Chemicals Research Institute，State Key Laboratory of Marine Coatings，Qingdao 266071，Shandong，China)

Epoxy primer and polyurethane transparent paint coated on the carbon fiber composite material，by comparing the pull-off adhesion，indicating that wet-wet coating is good for the adhesion between layers，and meet the requirements.

carbon fiber composite material，epoxy primer，polyurethane transparent paint，coating process

TQ 613.3