CAB對紅外低發(fā)射率涂層性能的優(yōu)化研究

孟 雪，徐國躍，譚淑娟，劉 寧，尤玲麗，李 衛(wèi)

?

CAB對紅外低發(fā)射率涂層性能的優(yōu)化研究

孟 雪1,2，徐國躍1,2，譚淑娟1,2，劉 寧1,2，尤玲麗1,2，李 衛(wèi)1,2

（1. 南京航空航天大學材料科學與技術學院，江蘇 南京 210016；2. 江蘇協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210016）

為了優(yōu)化原有紅外低發(fā)射率涂層的性能，向紅外低發(fā)射率涂層中加入醋酸丁酸纖維素（CAB），并對涂層進行紅外發(fā)射率（8～14mm）、掃描電子顯微鏡（SEM）、力學性能及耐鹽水性能測試。結果表明：加入醋酸丁酸纖維素可以促使涂層中鋁粉定向排列并形成“鏡面”結構，同時減少了涂層的表面缺陷，從而保證涂層發(fā)射率基本不變的情況下降低原有涂層的鋁粉含量（由40%降低到30%），且優(yōu)化后的涂層力學性能及耐鹽水性能都優(yōu)于原有涂層。

紅外發(fā)射率；醋酸丁酸纖維素；鋁粉；涂層

0 引言

紅外低發(fā)射率涂層是指對紅外輻射具有低吸收和高反射作用的涂層，它可以降低飛行器被紅外線探測到的概率[1-2]。紅外低發(fā)射率涂層主要由樹脂基體和功能填料構成，有時也會根據(jù)不同需求添加不同的顏料及助劑添加劑。紅外低發(fā)射率涂層的低發(fā)射率性能取決于片狀微米級、漂浮態(tài)導電鋁粉的加入以及鋁粉在涂層中的含量和定向排列，而涂層的力學性能以及耐環(huán)境性能取決于樹脂基體、功能填料以及助劑添加劑等[3-6]。

目前涂層的發(fā)射率已達到低發(fā)射率水平（低于0.1），但是大于40%的高填料量，往往又使涂層在實際應用中存在兩大問題，一是高的填料量使紅外低發(fā)射率涂層力學性能遠遠低于低填料量的涂層；二是高的填料量使紅外低發(fā)射率涂層存在更多的表面缺陷，腐蝕介質更容易進入涂層內部腐蝕功能填料使涂層發(fā)射率升高、力學性能下降，所以紅外低發(fā)射率涂層很難達到較為苛刻的工程應用水平[7-9]。要提高低發(fā)射率涂層的應用性，可以通過降低鋁粉含量這一途徑，但是前期實驗發(fā)現(xiàn)減少鋁粉含量又會使涂層發(fā)射率升高[8]。

醋酸丁酸纖維素（Cellulose Acetate Butyrate ，簡稱CAB）是一種熱塑性的高分子聚合物，常用于金屬漆膜中。在漆膜干燥的過程中，它體積收縮性強，阻止了金屬填料在涂層中的上下移動，迫使填料迅速水平定向，因而對填料的定向排列起決定作用，同時可以減少涂層的表面缺陷[10-11]。而功能填料鋁粉在涂層中的定向排列又對涂層的發(fā)射率有著決定性的作用[4]。所以本文通過加入醋酸丁酸纖維素促進鋁粉的定向排列，使鋁粉在涂層中形成良好的“鏡面”結構，在保證涂層低發(fā)射率的基礎上，減少填料的含量，在此基礎上進一步探究醋酸丁酸纖維素對涂層力學性能和耐環(huán)境性的影響。

1 實驗

1.1 涂層的制備

稱取一定質量的氟碳樹脂，加入少量乙酸丁酯，用玻璃棒攪拌。向樹脂中加入不同比例（40%、35%、30%、27%、25%）的鋁粉，加入適量乙酸丁酯溶劑，用玻璃棒粗略攪拌后，再用細胞粉碎機粉碎1min。按比例加入氟碳樹脂固化劑，攪拌均勻后加入適量乙酸丁酯溶劑調節(jié)黏度。向料漿中分別加入不同比例（10%、20%、30%）的醋酸丁酸纖維素溶液。用噴槍將配制好的涂料噴涂到基板上，室溫表干10h放入烘箱80℃固化10h。

1.2 分析與表征

用IR-2型雙波段發(fā)射率測量儀對涂層進行8～14mm波段紅外發(fā)射率測試；采用日立S-400場發(fā)射掃描電子顯微鏡對代表性涂層樣品進行微觀分析。

另外，根據(jù)國標對涂層樣品進行力學性能測試（GB/T6739-2006；GB/T9286-1998；GB/T1731-93；GB/T1732-93）。耐鹽水測試按國家標準GB/T10834-89《船舶漆耐鹽水性的測定》熱鹽水浸泡法進行。為了加速涂層的腐蝕速度，鹽水濃度采用5% 的氯化鈉溶液，試驗溫度定為50℃，跟蹤觀察涂層發(fā)射率及附著力隨浸泡時間的變化關系。

2 結果與討論

2.1 不同鋁粉含量下，CAB對涂層發(fā)射率的影響

現(xiàn)普遍使用的低發(fā)射率涂層鋁粉含量為40%，發(fā)射率約為0.12，稱為原有涂層。對于加入醋酸丁酸纖維素的低發(fā)射率涂層來說，促進鋁粉的定向排列可以減少鋁粉用量。所以選擇向鋁粉含量為25%、27%、30%、35%及40%的料漿中分別加入不同添加量的醋酸丁酸纖維素。研究CAB添加量對減少涂層鋁粉含量及發(fā)射率的影響。結果如圖1所示。

1）對于鋁粉含量為27%、30%、35%的低發(fā)射率涂層，隨著CAB添加量的增加，涂層發(fā)射率都呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。在CAB加入量為20%時，涂層發(fā)射率均達到最低。而對于鋁粉含量為25%的紅外低發(fā)射率涂層，CAB的加入反而使涂層的發(fā)射率升高。

圖1 不同鋁粉含量下，CAB對涂層發(fā)射率的影響

2）CAB對鋁粉含量為40%的原有紅外低發(fā)射率涂層發(fā)射率的影響并不明顯。

3）當鋁粉含量為30%，CAB添加量為20%時，其發(fā)射率在0.13左右，接近40%鋁粉含量的原有涂層發(fā)射率（0.12）。所以將30%鋁粉，20%CAB確定為最佳添加量。（此涂層稱為優(yōu)化涂層，記為Al-30%，CAB-20%；原有涂層記為Al-40%，CAB-0%）。

2.2 醋酸丁酸纖維素對紅外低發(fā)射率涂層結構的影響

為了進一步研究CAB對紅外低發(fā)射率涂層發(fā)射率的影響，對以上涂層進行微觀結構分析。

鋁粉含量為25%時，圖2(a)可以看出由于鋁粉含量少，鋁粉之間仍存在間隙，不足以形成致密結構。圖2(d)中涂層表面完全被樹脂層覆蓋，觀察不到鋁粉在涂層中的分布，這是因為加入CAB后限制了鋁粉向涂層表面遷移，涂層表面樹脂層變厚，所以會使涂層發(fā)射率升高。

當鋁粉含量較高（40%）時，圖2(c)所示片狀鋁粉之間相互堆積擁擠，出現(xiàn)較多的“孔洞”等表面缺陷。由圖2(f)可以看出，即使加入CAB后也無法改變鋁粉堆積的現(xiàn)象，所以此時加入醋酸丁酸纖維素并沒有顯著效果。

當鋁粉含量為30%時，圖2(b)可以看出鋁粉排列好，鋁粉顆粒之間沒有間隙，也沒有出現(xiàn)堆積現(xiàn)象，涂層表面狀況較好。加入CAB后，如圖2(e)所示，鋁粉的定向排列更好，所以發(fā)射率會降低。

圖2 涂層掃描測試圖

Fig.2 SEM test images of the coatings

2.3 醋酸丁酸纖維素對紅外低發(fā)射率涂層力學性能的影響

對優(yōu)化涂層（Al-30%，CAB-20%）與原有涂層（Al-40%，CAB-0%）進行力學性能對比。涂層厚度控制在60～70mm，測試結果如表1所示。優(yōu)化涂層與原有涂層的附著力1級、柔韌性0.5mm，均可達到最高級別。優(yōu)化涂層的耐沖擊性可達到50cm×kg，而原有涂層的耐沖擊性為45cm×kg。

表1 涂層力學性能對比

2.4 醋酸丁酸纖維素對紅外低發(fā)射率涂層耐鹽水性能的影響

鹽水對紅外低發(fā)射率涂層的腐蝕，主要是由于Cl－有很小的水和能，同時Cl－半徑小，具有很強的穿透能力，容易進入涂層內部[12-13]。當Cl－到達鋁粉顆粒表面時，鋁粉表面在電解質的作用下發(fā)生電化學腐蝕導致發(fā)射率升高。涂層表面缺陷越多，氯離子越容易穿透涂層進入內部腐蝕鋁粉，破壞涂層結構。

對優(yōu)化涂層（Al-30%，CAB-20%）和原有涂層（Al-40%，CAB-0%）進行鹽水浸泡試驗，發(fā)射率和附著力隨浸泡時間的變化分別如圖3和表2所示，隨著浸泡時間的增長，兩種涂層的發(fā)射率均呈現(xiàn)上升趨勢。原有涂層浸泡40天后，發(fā)射率已高達0.4，此時涂層附著力降低到2級。這是因為涂層表面存在著大量的缺陷，Cl－容易穿透涂層腐蝕鋁粉，涂層中的功能填料被鹽水腐蝕粉化。而優(yōu)化涂層在浸泡40天后發(fā)射率仍小于0.3，附著力仍為1級。這是因為CAB的加入減少了涂層的表面缺陷，Cl－難以進入涂層內部腐蝕鋁粉填料。

圖3 浸泡時間對涂層發(fā)射率的影響

表2 浸泡時間對涂層附著力的影響

3 結論

1）通過加入醋酸丁酸纖維素可以降低紅外低發(fā)射率涂層的鋁粉填料量，當鋁粉含量為30%，醋酸丁酸纖維素的添加量為20%時，其發(fā)射率可以低至0.13。

2）加入醋酸丁酸纖維素可以提高鋁粉的定向排列，減少涂層的表面缺陷。

3）篩選出的最佳鋁粉和CAB含量的低發(fā)射率涂層（Al-30%，CAB-20%）和原有涂層（Al-40%，CAB-0%）附著力、柔韌性均達到最高級別，優(yōu)化涂層耐沖擊性可達50cm×kg，而原有涂層耐沖擊性僅為45cm×kg。

4）50℃、5%鹽水浸泡實驗，原有涂層浸泡40天后，發(fā)射率已高達0.4，同時涂層附著力降低到2級。優(yōu)化涂層在浸泡40天后發(fā)射率仍小于0.3，附著力保持為1級。這是由于原有涂層鋁粉含量較高，存在大量表面缺陷，Cl－容易穿透涂層腐蝕鋁粉。而優(yōu)化涂層通過加入CAB降低了鋁粉含量，從而減少涂層表面缺陷，Cl－難以進入涂層內部腐蝕鋁粉填料。所以優(yōu)化涂層優(yōu)于原有涂層。

[1] 付偉. 紅外隱身原理及其應用技術[J]. 紅外與激光工程, 2002, 31(1): 88-93.

FU Wei. Principle and application technology of IR stealth[J]., 2002, 31(1): 88-93.

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

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

[3] Wang Yajun, Xu Guoyue, Yu Huijuan, et al. Comparison of anti-corrosion properties of polyurethane based composite coatings with low infrared emissivity[J]., 2011, 257(10): 4743-4748.

[4] 喬加亮. 粘合劑結構與低紅外發(fā)射率涂層光澤度性能研究[D]. 南京:南京航空航天大學, 2014.

Qiao Jialiang.Study on the Structure of Adhesives and Glossiness of Low Infrared Emissivity Coating[D]. Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2014.

[5] YU Huijuan, Xu Guoyue, Shen Xingmei, et al. Effects of size, shape and floatage of Cu particles on the low infrared emissivity coatings[J]., 2009, 66(2): 161-166.

[6] 陳慧敏, 王雅君, 徐國躍, 等. 低紅外發(fā)射率涂層力學性能的研究[J]. 材料科學與工藝, 2010,18(6): 873–877.

Chen Huimin, WANG Yajun, XU Guoyue, et al. Study on the mechanical properties of low infrared emissivity coatings[J]., 2010, 18(6): 873–877.

[7] 余慧娟. 低紅外發(fā)射率涂層的制備及其耐腐蝕性能研究[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2010.

YU Hui-juan. Study on Preparation and Corrosion Resistance of Low Emissivity Infrared Coatings[D]. NanJing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2010.

[8] 丁儒雅. 中溫紅外低發(fā)射率涂層材料的配方設計及制備工藝優(yōu)化研究[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2013.

DING Ruya. Study on formulation design and preparation technology optimization of low emissivity infrared coatings applied at moderate temperature[D]. NanJing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2013.

[9] 張偉剛, 徐國躍, 徐飛鳳, 等. 顏料含量對復合涂層紅外發(fā)射率的作用機制研究[J]. 光譜學與光譜分析, 2012, 32(10): 2661-2663.

ZHANG Weigang, XU Guoyue, XU Feifeng, et al . Mechanism of pigment content on infrared emissivity of composite coatings[J]., 2012, 32(10): 2661-2663.

[10] 田軍縣, 余節(jié)德, 趙新建, 等. 氟碳樹脂金屬漆的閃光效果研究[J]. 新型建筑材料, 2007, 34(1): 5-6.

TIAN Jun-xian, YU Jie-de, ZHAO Xin-jian, et al. Study on lustrousness effect of fluorocarbon resin metallic paint[J]., 2007, 34(1): 5-6.

[11] 袁浩. 醋酸丁酸纖維素對金屬閃光漆的影響探討[J]. 上海涂料, 2014, 52(12): 47-49.

YUAN Hao. Discussion on the In?uences of Cellulose Acetate Butyrate on the Metallic Paint[J]., 2014, 52(12): 47-49.

[12] 董言治, 尉志蘋, 沈同圣, 等. 高鹽霧條件下艦船設備的腐蝕防護研究進展[J]. 現(xiàn)代涂料與涂裝, 2003(3): 35-38 .

DONG Yan-zhi, WEI Zhi-ping, SHEN Tong-sheng, et al. Research progress of corrosion protection of ship equipments under high salt atmosphere[J].2003(3): 35-38.

[13] 夏蘭廷, 偉華. 金屬和有機涂層的耐海水腐蝕性分析[J]. 太原重型機械學院學報, 2001, 22(3): 189-192.

XIA Lanting, WEI Hua. Analysis of Marine Corrosion Resistance of the Metallic and Organic Coating[J]., 2001, 22(3): 189-192.

Study on the Optimization of CAB on the Performanceof Low-Infrared-Emissivity Coatings

MENG Xue1,2，XU Guoyue1,2，TAN Shujuan1,2，LIU Ning1,2，YOU Lingli1,2，LI Wei1,2

(1.,,210016,2.,210016,)

To optimize the performance of the original low infrared emissivity coatings, Cellulose Acetate Butyrate (CAB) is added into the coatings. Infrared emissivity (8-14mm) of the coating is measured through IR-2, the effect of CAB on the surface of coatings is observed by scanning electron microscope (SEM), and the mechanical properties and salt water-resistant performance of the coatings are also tested. The results indicated that: CAB added into the coatings can make the flake aluminum powder oriented array and form the ‘mirror plate’ structure, and at the same time, it can also reduce the surface defects of the coatings. Furthermore, it will decrease the aluminum powder content (from 40% down to 30%) of the coatings on the premise that infrared emissivity changes little. In addition, the mechanical properties and salt water-resistant performance of the optimized coatings are better than those of the primary coatings.

infrared emissivity，cellulose acetate butyrate，Aluminum powder，coating

TQ630.4＋9

A

1001-8891(2017)03-0250-04

2016-08-17；

2016-12-26.

孟雪（1990-），女，山東濟寧市人，碩士研究生，主要從事功能材料的研究。

江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目；國家自然科學基金項目（51403102）；江蘇省自然科學基金項目（BK20140811）。