無光耐沾污蒙皮面漆的研制及其應(yīng)用

阮潤琦，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海洋涂料國家重點實驗室，海洋化工研究院有限公司，山東 青島 266071；2 航空工業(yè)第一飛機設(shè)計研究院，陜西 西安 710089)

航空涂料是指用于飛機上的涂料。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擴大，對航空涂料的性能要求也隨之提高。其中飛機蒙皮涂料噴涂在飛機外表面，起著裝飾及保護作用。飛機蒙皮涂料具有優(yōu)異的柔韌性、耐水性、耐化學介質(zhì)、耐候性、耐高低溫、耐沖擊性及附著力強等[1]。

飛機在飛行中會遇到各種惡劣的環(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，且增加了飛機的日常維護難度。現(xiàn)國內(nèi)飛機公司提出在保證飛機蒙皮涂料性能的同時，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)。現(xiàn)有飛機蒙皮涂料雖能滿足飛機蒙皮涂料的性能要求，但在無光狀態(tài)下，其耐沾污性一般。尤其是無光飛機蒙皮涂料在整機噴涂時，有以下難點：①無光飛機蒙皮涂料的光澤較低（0～10），大面積噴涂時，容易出現(xiàn)顏色不均一，光澤不均一；②在保證飛機蒙皮涂料的基本性能前提下，尤其是無光漆，用無光樹脂制成的無光漆或者高光樹脂添加消光劑制成的無光漆難以兼顧耐沾污性能。長時間的飛行后，飛機的蒙皮涂料在污漬的覆蓋下難以清洗，且飛機整體的顏色差異較大。因此，有必要研制符合新需求的無光耐沾污蒙皮面漆。

1 實驗部分

1.1 實驗原材料

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：美國杜邦、德國巴斯夫、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：德國德固賽；溶劑：青島海力加化學。

1.2 儀器設(shè)備

高速攪拌分散機BPF-H2.2，上海法孚萊能源技術(shù)有限公司；砂磨機LMZ0.5，耐馳（上海）機械儀器有限公司；防爆電子秤TCS-SG-EX 10，仕岡電子衡器有限公司；電熱鼓風干燥箱YLA-6000，上海實驗儀器廠有限公司；粗糙度儀DektakXT，美國布魯克； 接觸角測定儀OCA 50Pro，德國德菲；掃描電鏡TM3030Plus，日本日立；光澤儀BGD516/3，標格達精密儀器（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；然后在攪拌停止狀態(tài)下加入填料、顏料、溶劑，高速分散20min ，得到A組分漿料；對進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 測試試板的制備

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

隨著現(xiàn)代商業(yè)地產(chǎn)對停車位的需求、社會對消防和設(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 性能測試及方法

涂料成膜后性能測試見表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、無光漆膜（對照組）的耐污性能后，發(fā)現(xiàn)無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到的前提下（或者更優(yōu)異），對無光漆膜耐沾污性的影響。

表2 涂料的指標要求及測試方法Table 2 The index requirements and testing methods of coatings

1.4.1 光澤度的測試

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）。測試不同樣板的光澤。取多次測量的平均值。

1.4.2 接觸角的測試

接觸角：是指在氣、液、固三相交點處所作的氣-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

使用接觸角測定儀OCA 50Pro, 對實驗組及對照組的噴漆后的鋁合金板測試，多次測量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）板材放置在載物臺上，測得實驗組及對照組的漆膜粗糙度，并對數(shù)據(jù)進行處理分析。

1.4.4 漆膜表面形貌的觀測

掃描電鏡（SEM）分析是利用二次電子信號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，觀察實驗組及對照組漆膜表面的形態(tài)。

1.4.5 耐沾污測試方法

采用美軍標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，都要將該污染物進行充分攪拌均勻。

（2）測試過程：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磅重的橡膠棒進行擠壓，重復以上步驟兩次后，將樣板在（105±2）℃烘烤60min，用色差儀測得其亮度值L，記為B；樣板烘干后用清潔劑進行清洗，直到樣板上的人工污染物清洗干凈為止，烘干后，測得亮度值L，記為C。

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

將制得的實驗組鋁合金板及對照組鋁合金板用上述耐沾污測試方法測得數(shù)據(jù)（多次測試取平均值）。

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比圖如圖2所示，具體數(shù)據(jù)見表3。

圖2 耐沾污對比圖Fig. 2 The comparison chart of stain resistance

表3 耐沾污測試數(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，丙烯酸體系的無光漆膜耐污性較差。

表4 對照組漆膜的粗糙度、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，無光漆膜則因消光粉添加量較多，導致其表面凹凸不平。在涂料的制備過程中，消光粉為后補加，其添加量對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PVC值超過CPVC（臨界顏料體積濃度）時，會導致涂膜的結(jié)構(gòu)不致密，存在大量的微細孔隙，導致其表面凹凸不平，表面粗糙度（Ra值）急劇增大，細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耐污性的影響

飛機在惡劣環(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，針對這兩種類型的污染物，市場研究開發(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。當全為氟碳樹脂時，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）既能滿足性能要求，又能降低成本。

圖4 實驗組掃描電鏡圖Fig. 4 The scanning electron microscopy images of the experimental group

由表5可知，含氟碳樹脂的無光漆膜的接觸角在100°～110°之間，表現(xiàn)出疏水性。無光漆膜表面狀態(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放大。當θc＜90°時，親水表面在微結(jié)構(gòu)化后，表面會更加的親水。而當θc＞90°，疏水表面在微結(jié)構(gòu)化后，表面會更加的疏水[7]。且A3、A4的表面比A1、A2光滑，其PVC值未超過CPVC值。

表5 實驗組漆膜表面粗糙度、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。丙烯酸體系的無光（光澤0～10）涂層清潔率略高于50%，無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，消光粉為后補加，其添加量對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PVC值超過CPVC（臨界顏料體積濃度）時，會導致涂膜的結(jié)構(gòu)不致密，存在大量的微細孔隙，導致其表面凹凸不平，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。當氟碳樹脂占比較少時，耐沾污性能有提高，但未能達到90%以上。氟碳樹脂與丙烯酸樹脂的比例接近1：1時，則可制得無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。