大面積硅橡膠防熱涂層自動刮涂工藝研究

戚 鵬，劉洪源

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

0 引言

當前，某產品外表面防熱涂層的涂裝主要采用自動噴涂為主、手工刮涂為輔的工藝進行施工，生產過程需添加大量的有機溶劑進行稀釋后才能滿足噴涂條件。噴涂及涂層固化過程中，伴隨著大量的溶劑揮發，廢氣排放量很大，廢氣排放環保治理問題突出。

國家“十三五”規劃已將涂料VOC 納入環?？偭靠刂浦笜?，高VOC 涂料的使用將面臨嚴厲的環保管制，同時，高溶劑型涂料的噴涂隨時面臨停產或限產。現有噴涂工藝存在較大的危害人員健康及環保治理隱患，急需開展高固含涂料的自動刮涂工藝研究，大幅減少有機溶劑的使用量。

1 研究技術方案

1.1 自動刮涂系統技術方案（見圖1）

圖1 自動刮涂系統技術方案

1.2 自動刮涂系統的設計

自動刮涂系統工藝尤其適用于圓筒形工件自動刮涂。臥式夾持旋轉機構由車體、工件驅動支撐卡爪、工件從動支撐卡爪、驅動減速電機等組成。旋轉機構兩端都配備有四爪調心卡盤，方便不同直徑的工件進行調節，滿足產品的多樣性的需求。試驗用自動刮涂系統樣機如圖2 所示。

圖2 試驗用自動刮涂系統樣機

當開始刮涂工件時，安裝在調節軸上的刮板機構在調節到適當位置后，由三維行走機構根據設定的程序，將涂料刮涂到工件表面。

可編程控制器PLC 是整個電氣控制系統的主要部分，主要承擔系統的信號處理、控制運算等任務?？刂瞥绦蛑性O有相關設備的互鎖及連動邏輯時序，以實現整體系統的安全可靠運行。

1.3 刮涂姿態控制工藝

1.3.1 刮板接觸工件位置試驗

在工件側方向同時進行涂覆與刮涂時，通過刮板傾角流到工件表面并同時受到刮板擠壓，涂層附著力效果最好，同時水平可操控性良好，便于控制，涂層表面無明顯缺陷，如圖3 所示。

圖3 側面涂覆與刮涂同步

1.3.2 刮板接觸工件角度試驗

為了保證涂料的流動性及留有可操作的間隙，防止涂料持續流出，外流浪費并污染涂層表面，選擇60°與45°進行試驗。

如圖4 與圖5 所示，無論60°或45°接觸角，在首次刮涂時，由于刮板堆料的需要，在邊緣都會產生一定留掛，但隨著刮涂繼續，45°接觸角由于傾角大，相對涂料流速較快，涂料擠壓力大，適應更快的工件轉速與刮板行走速度。

圖4 刮板與工件不同接觸角

圖5 刮涂效果圖

1.4 自動刮涂工藝參數優化

1.4.1 刮涂用涂料溶劑比例優化

刮涂用涂料與噴涂用涂料相比，由于溶劑比例小，其固化速度相對較快。為了確定可用的較優的涂料黏度，分別使用不同的溶劑比例來配置防熱涂料，并測量其黏度變化。

根據表1 試驗可知，隨著涂料中溶劑比例增大，其固化時間隨之變長；初始黏度中，30%與50%溶劑體積分數的涂料黏度過低，留掛嚴重，無法有效附著在產品表面；在刮涂1.5 h 后，10%溶劑比例涂料黏度達到150 000 mPa·s，其刮涂效果見圖6，附著力下降，表面破損嚴重；而2 h 后，10%溶劑體積分數涂料已經固化，無法測量其黏度。

表1 不同溶劑比例下防熱涂料黏度變化

圖6 10%溶劑防熱涂層靜置1.5 h 后刮涂效果

因此，選擇10%～12%溶劑體積分數的防熱涂料作為刮涂用涂料配比，涂料使用時間確定在1.5 h 以內。

1.4.2 供料壓力參數優化

供料泵壓力是影響防熱涂料擠出量的主要因素。擠出量應根據刮板規格尺寸以及行走速度等因素協同控制，避免浪費。在實際施工中，涂料擠出量與擠出嘴口徑、涂料特性、供料壓力差相關，如公式（1）所示：

式中：Q 為流量，m3/s；μ 為流量系數，與閥門或管子的形狀有關，一般管路取0.6～0.65；A為面積，m2；p 為通過閥門前后的壓力差，在此指涂料壓力，Pa；ρ 為流體的密度，kg/m3；d 為噴嘴孔徑，mm。

從式（1）可以看出，針對特定防熱涂料，在選定擠出嘴的情況下，工作壓力決定了出料流量。

通過試驗，最終制定適宜的供料壓力為0.7 MPa，防熱涂料出料量約400 g/min。

1.4.3 刮涂系統工藝參數優化

自動刮涂系統所需要設定的主要工藝參數包括工件轉速、刮板行走速度、循環步退距離、循環間隔時間以及首次進入延時時間等。

工件轉速：工件轉速需要與刮板行走速度相配合，刮涂轉速3～6 r/min。

刮板行走速度：刮板行走速度1.2～2.4 mm/s。

刮板循環步退距離：每次刮涂的循環步退距離不超過1 mm。

循環刮涂間隔時間：為了保證涂層與上一遍涂層產生一定結合力，刮涂結束后晾置15～30 min 后再進行下一遍刮涂。

首次刮涂起始延時：在初次進行刮涂時，為方便出料嘴供料，初次刮涂起始延時為6～10 s。

2 典型樣件刮涂及工藝穩定性驗證

2.1 簡單直筒與復雜凸筒刮涂驗證

為了驗證刮涂可行性及長時間穩定性，制作了典型樣件進行初步工程應用。根據生產情況，制作了簡單直筒與復雜凸筒，如圖7 所示。

圖7 典型產品模擬樣件

簡單直筒與復雜凸筒都用采用鋁型材卷制而成，其中凸起物4 塊居中鉚接而成。按照優化的工藝參數進行刮涂，總計試驗用時約3 h，其中刮涂時間約2 h，配料及其他用時約1 h。共計配料40 kg，其中使用涂料36 kg，有機溶劑4 kg。

具體生產方式為每刮涂2 次，使用2 次剩余涂料刮涂第3 次。每刮涂完3 次后，不進行步退，不送料的空刮一次，以增加涂層結合力，去除表面多余留掛?？展谓Y束后，清洗管路、出料嘴與料缸。后繼，重復上述步驟。

涂層固化后，使用機加工方式對外表面涂層進行切削處理。

加工后產品如圖8 與圖9 所示，涂層結合完好，未出現脫粘或開裂等現象。

圖8 刮涂后的直筒模擬樣件

圖9 刮涂后的直筒模擬樣件

2.2 刮涂工藝涂層性能考核

2.2.1 力學性能考核

拉拔后的涂層在基材表面殘存涂層，證明結合良好。涂層拉拔結合強度大于1 MPa，達到設計要求。

2.2.2 隔熱性能考核

根據設定的熱流曲線，分別對4 塊試片（噴涂方式2 塊，刮涂方式2 塊）進行石英燈燒蝕試驗，測量背溫，如圖10 所示。

圖10 試片燒蝕背溫曲線

由圖10 可知，約60 s 后自動刮涂工藝制備的3#、4# 試片背溫情況始終低于自動噴涂工藝制備的1#、2#試片，最高相差約25 ℃。

比較燒蝕后的涂層外觀，自動刮涂工藝制備的3#、4#試片碳化情況明顯較少，涂層表觀優于自動噴涂工藝制備的1#、2#試片。

3 結論

相對自動噴涂工藝含有體積分數為50%～60%的溶劑量，大面積硅橡膠防熱涂層自動刮涂工藝減少到10%左右，刮裝工藝所需的汽油等溶劑用量大幅度降低，提高涂料利用率和單遍涂層有效厚度，節約成本，提高工作效率。危廢處理成本能夠降低70%以上，安全性、環保性大大提高，且符合國家環保部門未來發展規劃。通過工藝研究，取得了一系列成果。

1）操作者通過電控柜對整體刮涂系統的運行參數進行監控與更改，方便操作，利于大規模批生產。

2）通過對刮板與工件間接觸姿態進行分析，確定側面45°接觸角的刮涂姿態。

3）通過開展不同溶劑添加含量，涂料黏度變化規律以及刮涂效果的研究，確定了10%～12%的溶劑體積分數，0.7 MPa 的供料壓力工藝參數。

4）通過刮涂涂層的力學性能與隔熱性能考核。

5）編寫工藝指導資料，指導生產。