感應(yīng)加熱對(duì)甲板防滑底漆粘接性能的影響

蔡嘉輝， 孫曉峰， 邱 驥， 宋 巍， 馬世寧

(裝甲兵工程學(xué)院裝備維修與再制造工程系， 北京 100072)

感應(yīng)加熱對(duì)甲板防滑底漆粘接性能的影響

蔡嘉輝， 孫曉峰， 邱 驥， 宋 巍， 馬世寧

(裝甲兵工程學(xué)院裝備維修與再制造工程系， 北京 100072)

為研究感應(yīng)加熱方法對(duì)甲板防滑底漆粘接性能的影響，利用傅里葉變換紅外光譜(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FT-IR)分析儀表征界面處底漆改性效果，借助同步熱分析儀研究底漆熱穩(wěn)定性，通過電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試不同溫度下試樣的剪切強(qiáng)度。結(jié)果表明: 電磁感應(yīng)使鋼板表面溫度升高，導(dǎo)致底漆失重分解并發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，粒子熱運(yùn)動(dòng)振幅增大，界面處極性官能團(tuán)減少，配價(jià)鍵力減小，防滑底漆與鋼表面之間的粘接力減小；剪切強(qiáng)度隨溫度升高呈先快后慢的下降趨勢(shì)，在25～100 ℃范圍內(nèi)下降了87.6%，而在100～175 ℃范圍內(nèi)只下降了7.5%。

防滑底漆；粘接性能；感應(yīng)加熱；紅外光譜；剪切強(qiáng)度

甲板防滑涂層是保護(hù)甲板免遭腐蝕、滿足車輛防滑以及艦載機(jī)起降作業(yè)等所需高摩擦因數(shù)、耐高溫、耐沖擊等特殊要求的有效措施之一[1]。但由于長(zhǎng)時(shí)間暴露在海上惡劣的自然環(huán)境中，加之使用過程中一些人為因素的影響，艦用甲板涂層容易老化磨損，導(dǎo)致其無法滿足使用要求。相關(guān)技術(shù)資料顯示:美國海軍自2008年起采用電磁感應(yīng)除漆技術(shù)，用于潛艇表面消聲瓦的去除修理及飛機(jī)跑道環(huán)氧金剛砂涂層的去除。

相比于傳統(tǒng)的除漆方法[2-5]，電磁感應(yīng)除漆時(shí)在鋼板表面產(chǎn)生熱量，利用高溫破壞涂層與基體結(jié)合，使涂層翹起和剝落，具有安靜、快速、清潔和安全的特點(diǎn)。筆者以甲板通用防滑底漆為試驗(yàn)對(duì)象，研究感應(yīng)加熱對(duì)底漆粘接性能和化學(xué)成分的影響，以期為電磁感應(yīng)除漆技術(shù)的機(jī)理研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及制備

甲板鋼10CrNi3MoV化學(xué)成分如表1所示。甲板防滑通用底漆為雙組分環(huán)氧樹脂(AFDC-D，海洋化工研究院)，其主要成分為雙酚A環(huán)氧樹脂，其中環(huán)氧樹脂與固化劑的質(zhì)量比為4∶1。

根據(jù)GJB 444—1988膠粘劑高溫拉伸剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法(金屬對(duì)金屬)的規(guī)定，首先，將甲板鋼線切割成100 mm×25 mm×2 mm的片狀試樣，試樣兩端各打一個(gè)直徑為7 mm的孔，試樣形狀與規(guī)格如圖1所示[6]；其次，用150#水磨砂紙打磨，并用丙酮清洗，以去除表面的污染物，用熱風(fēng)吹干；最后，取一定量的環(huán)氧樹脂到膠碟中，再將對(duì)應(yīng)質(zhì)量比的固化劑加入膠碟攪拌，使其混合均勻，而后將攪拌均勻的甲板防滑底漆涂敷在表面經(jīng)處理的鋼片表面，使二者粘在一起。膠接縫長(zhǎng)度為12.5 mm，常溫下固化24 h[7]。

表1 甲板鋼10CrNi3MoV化學(xué)成分

圖1 試樣形狀與規(guī)格

1.2 表征手段與性能測(cè)試

紅外光譜由美國Thermo Fisher Scientific公司的Nicolet IS50傅里葉變換紅外光譜(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FT-IR)分析儀測(cè)定，波長(zhǎng)范圍為350～7 800 cm-1，光譜分辨率優(yōu)于0.09 cm-1，波數(shù)精度優(yōu)于0.01 cm-1。為獲得底漆表層有機(jī)成分信息，采用衰減全反射(Attenuated Total Reflection，ATR)法。

采用德國NETZSCH公司的NETZSCH STA 409 PC/PG同步熱分析儀進(jìn)行熱重分析(Thermal Gravimetric Analysis, TG)和差示掃描量熱(Differential Scanning Calorimetry，DSC)分析。工藝參數(shù)為：空氣氣氛，氣體流量為20 mL/min，升溫速率為10 ℃/min；甲板通用防滑底漆用量為7 mg，溫度范圍為40～300 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

按照GJB444—1988的要求，利用美國MTS公司MTS Exceed 40高溫電子萬能試驗(yàn)機(jī)(如圖2所示)，測(cè)試25、50、75、100、125、150、175 ℃時(shí)剪切強(qiáng)度，設(shè)定萬能試驗(yàn)機(jī)的拉伸速率為5 mm/min，每個(gè)溫度點(diǎn)平行測(cè)試5組，取平均值[6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 FT-IR分析

圖2 電子萬能試驗(yàn)機(jī)

圖3 感應(yīng)加熱處理前后防滑底漆FT-IR圖譜

2.2 熱穩(wěn)定性

防滑底漆的TG曲線和DTG(Differential Thermal Gravity)曲線如圖4所示。由TG曲線可以看出：當(dāng)溫度低于80 ℃時(shí)，TG曲線并無下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)闃悠吠獗砻鎸?duì)氣體的物理和化學(xué)吸附作用與樣品揮發(fā)作用相抵消；當(dāng)溫度高于80 ℃時(shí)，TG曲線呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是因?yàn)闃悠分兴帧⒁讚]發(fā)的有機(jī)物及吸附的小分子物的揮發(fā)速度大于樣品對(duì)氣體的吸附速度。由DTG曲線可以看出：溫度在80～140 ℃之間時(shí)，失重速率增加，表明樣品中揮發(fā)成分加速析出；140 ℃后失重速率下降，主要是因?yàn)闃悠分幸讚]發(fā)物質(zhì)含量降低；205 ℃后失重速率再次回升，在該失重區(qū)內(nèi)除發(fā)生端基消除外，還含有較多未參與固化的低分子質(zhì)量的組分[10]。

圖4 防滑底漆的TG曲線和DTG曲線

防滑底漆的DSC曲線如圖5所示，可以看出：防滑底漆的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg=120.1 ℃。當(dāng)溫度超過Tg時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)的能量已經(jīng)足以克服旋轉(zhuǎn)的能壘，這時(shí)鏈段運(yùn)動(dòng)被激發(fā)，甚至部分鏈段發(fā)生滑移；高分子鏈段的運(yùn)動(dòng)會(huì)破壞已形成的配價(jià)鍵，進(jìn)一步降低剪切強(qiáng)度[11]。

圖5 防滑底漆的DSC曲線

2.3 溫度對(duì)剪切強(qiáng)度的影響

剪切強(qiáng)度隨溫度的變化如圖6所示。可以看出：25 ℃時(shí)剪切強(qiáng)度為12.6 MPa，100 ℃時(shí)僅為1.71 MPa，下降了87.6%；溫度大于100 ℃后，剪切強(qiáng)度下降緩慢，175 ℃時(shí)剪切強(qiáng)度為0.64 MPa，較100 ℃時(shí)下降了7.5%。剪切強(qiáng)度隨溫度的這種變化趨勢(shì)，其原因主要有以下2點(diǎn)：1)在25～100 ℃范圍內(nèi)，每個(gè)粒子的熱能隨著溫度的升高而增大，導(dǎo)致振幅也隨之增大，大量粒子的間距超過配價(jià)鍵力和范德華力的作用范圍，結(jié)合強(qiáng)度迅速下降；2)溫度超過100 ℃后，因粒子振幅進(jìn)一步增大，大部分配價(jià)鍵力和范德華力消失，伴隨著構(gòu)成粘接力來源的羥基等極性基團(tuán)的端基消除反應(yīng)，剪切強(qiáng)度緩慢下降[12-14]。

圖6 剪切強(qiáng)度隨溫度的變化

3 結(jié)論

利用FT-IR分析儀表征了界面處底漆改性效果，借助同步熱分析儀研究了底漆熱穩(wěn)定性，并通過電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試了不同溫度下試樣的剪切強(qiáng)度。結(jié)果表明：極性基團(tuán)的含量對(duì)粘接強(qiáng)度起主要作用，電磁感應(yīng)引起鋼板表面溫度迅速升高，粒子熱運(yùn)動(dòng)振幅超過范德華力和配價(jià)鍵力作用范圍，粘接強(qiáng)度下降；同時(shí)界面處極性官能團(tuán)減少，底漆失重分解并發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變。下一步,可根據(jù)這一機(jī)理指導(dǎo)電磁感應(yīng)除漆相關(guān)工藝參數(shù)的優(yōu)化，在最合適的功率下達(dá)到最佳的除漆效果。

[1] 鄧琦, 徐金文, 高新華， 等. 艦船甲板防滑涂料技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 2013,8(2):111-116.

[2] Wojlik G. Paint Stripping Composition and Process Containing Methyl Benzoate and Formic Acid: 6417149[P].2002-07-09.

[3] 魯飛, 薛勝雄, 任啟樂， 等. 超高壓旋轉(zhuǎn)射流飛機(jī)除漆試驗(yàn)研究[J]. 流體機(jī)械, 2013,41(12):6-9.

[4] 陳菊芳, 張永康, 許仁軍， 等. 軸快流CO2激光脫漆的實(shí)驗(yàn)研究[J], 激光技術(shù), 2008,32(1):64-67.

[5] Barletta M, Gisario A, Tagliaferri V. Advance in Paint Stripping from Aluminium Substrates [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2006, 173:232-239.

[6] GJB 444—1988膠粘劑高溫拉伸剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法(金屬對(duì)金屬) [S].

[7] 翟蘭蘭, 凌國平, 酈劍. 納米Al2O3改性環(huán)氧膠粘劑和鋼鐵附著機(jī)理的研究[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2009,43(9)：1709-1713.

[8] 郝艷捧, 謝恒堃. 基于熱重和紅外光譜分析研究大電機(jī)定子絕緣中環(huán)氧的老化過程[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(13):15-19 .

[9] 李士學(xué). 粘接過程的配價(jià)鍵力作用[J].粘接, 1983,4(2):1-6.

[10] 肖衛(wèi)東, 何培新, 何本橋. 熱重法研究環(huán)氧樹脂膠粘劑[J].化學(xué)與粘合, 2003(2):54-57.

[11] 林琳, 宋巍, 李長(zhǎng)青. 低粘度環(huán)氧樹脂體系的固化動(dòng)力學(xué)及其熱穩(wěn)定性[J].中國表面工程,2011,24(5):73-78.

[12] 劉中國. 高性能電子封裝材料用環(huán)氧樹脂的合成與性能研究[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2013.

[13] 翟海潮, 翁熙祥. 用X射線光電子譜(XPS)法研究粘接配位鍵機(jī)理[J]. 粘接, 1993,14(6):17-21.

[14] 翁熙祥. 粘接理論研究的一些新進(jìn)展[J].中國膠粘劑, 1999,8(5):38-40.

(責(zé)任編輯: 尚菲菲)

Effect of Electromagnetic Induction on the Bonding Property of Nonskid Primer on Deck

CAI Jia-hui, SUN Xiao-feng, QIU Ji, SONG Wei, MA Shi-ning

(Department of Equipment Remanufacture Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

To study the effect of induction heating on the bonding property of nonskid primer on deck, the Fourier Transform Infrared Spectroscopy(FT-IR)analyzer is used to indicate the modification effect of interface primer, the thermal stability of nonskid primer is measured by synchronous thermal analyzer, and the shear strength between nonskid primer and steel plate is tested with a universal electronic testing machine under different temperatures. Results show that the high temperature caused by induction heating leads to weight loss of steel plate surface and decomposition of nonskid primer, increase of thermal motion amplitude of particles, decrease of coordinate force and reduction of polar functional groups at the interface and decrease of bonding force between nonskid primer and steel surface. The shear strength decreases rapidly and then slower as temperature increases. It decreases by 87.6% in the temperature range of 25-100 ℃ while only 7.5% in the range of 100-175 ℃.

nonskid primer; bonding property; induction heating; infrared spectroscopy; shear strength

1672-1497(2016)05-0091-04

2016-05-31

軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目

蔡嘉輝(1991-)，男，碩士研究生。

TQ637.2

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.05.019