非易燃易爆清洗劑在運(yùn)載火箭涂裝中的應(yīng)用

肖世明，李吉丹，劉旭升，朱賀，吳憲，王海辰

（首都航天機(jī)械公司，北京　100076）

目前，我國(guó)運(yùn)載火箭殼體表面主要噴涂H06-2環(huán)氧酯底漆和H04-2環(huán)氧硝基磁漆。在噴漆前需要用120#汽油清洗殼體表面的油污。120#汽油的主要成分為脂肪烴類(lèi)化合物，因?qū)Ω鞣N油類(lèi)具有良好的親和性，被廣泛應(yīng)用在涂裝前處理中。雖然汽油是火箭涂裝前處理中最常用的清洗溶劑，但其閃點(diǎn)較低，為易燃易爆品，危險(xiǎn)性極高，在運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用過(guò)程中都存在極高的安全隱患。汽油使用場(chǎng)所嚴(yán)禁明火，儲(chǔ)存場(chǎng)所需陰涼通風(fēng)，并采取防靜電措施。隨著我國(guó)航天事業(yè)快速發(fā)展，汽油的使用量逐步上升，生產(chǎn)場(chǎng)所易燃易爆的風(fēng)險(xiǎn)也急劇上升。雖然已經(jīng)有多種非易燃易爆清洗劑應(yīng)用于不同類(lèi)型的產(chǎn)品清洗[1-4]，但尚未發(fā)現(xiàn)應(yīng)用在運(yùn)載火箭涂裝中。本文優(yōu)選了4種典型的清洗劑以替代汽油，并考察了后續(xù)涂層的性能。

1　清洗劑的優(yōu)選

1.1　清洗劑類(lèi)型的選擇

經(jīng)過(guò)調(diào)研，目前可選用的安全清洗劑分為水基清洗劑和溶劑型清洗劑兩大類(lèi)。

水基清洗劑的主要工藝流程為：預(yù)熱→浸泡或噴淋→水洗→防銹處理。

溶劑型清洗劑的主要工藝流程為：擦拭或浸泡→干燥。

結(jié)合兩種清洗劑的工藝流程和表1，認(rèn)為溶劑型清洗劑更適用于火箭殼體表面涂裝，主要原因如下：

(1) 水基清洗劑要求浸泡或噴淋火箭殼體，而水易對(duì)火箭產(chǎn)品造成腐蝕。

(2) 溶劑型清洗劑一般不需要進(jìn)行廢水處理，這與目前廣泛使用的汽油相似，但水基清洗劑需要進(jìn)行廢液處理。

(3) 水基清洗劑不適合擦拭，且需要一定的操作溫度，而箭體部段產(chǎn)品有貯箱、箱間段等焊接、鉚接部段，如果采用一定溫度的浸泡或噴淋清洗會(huì)在加工間隙內(nèi)形成殘留，并給橡膠件等非金屬零件留下質(zhì)量隱患。

表1　水基清洗劑及溶劑型清洗劑的對(duì)比Table 1　Comparison between water- and solvent-based cleaning agents

1.2　幾種清洗劑的性能

經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，選取了SK-410B、FR111、X100和X417這4種清洗劑，它們均利用“相似相溶”原理去除零件表面油污，主要成分見(jiàn)表2。

表2　4種溶劑型清洗劑的主要成分Table 2　Main constituents of four types of solvent-based cleaning agents

1.2.1對(duì)鋁基體的腐蝕性

火箭箭體普遍采用鋁合金加工而成。為驗(yàn)證清洗劑是否對(duì)火箭基體產(chǎn)生腐蝕，選取典型的2A14鋁合金，通過(guò)浸泡試驗(yàn)考察各清洗劑與基體的適應(yīng)性。步驟如下：

(1) 稱(chēng)取4塊試片的質(zhì)量。

(2) 將不同類(lèi)型的清洗劑置于燒杯中，然后將50 mm × 100 mm的試片完全浸入清洗劑中，靜置24 h。

(3) 取出試片，自然晾干后稱(chēng)其質(zhì)量，并檢查外觀(guān)。

從表3可知，浸泡24 h后，4片鋁合金試片的外觀(guān)均沒(méi)有發(fā)生變化?？紤]到誤差影響，可以認(rèn)為浸泡前后試片的質(zhì)量均沒(méi)有發(fā)生變化，說(shuō)明所有清洗劑對(duì)鋁合金試片都沒(méi)有腐蝕性。

表3　火箭用2A14鋁合金在4種清洗劑中浸泡24 h后的變化Table 3　Variation of 2A14 aluminum alloy used for rocket after being immersed in four different cleaning agents for 24 h

1.2.2燃燒性

使用20 mm × 100 mm的棉布條沾取不同類(lèi)型的清洗劑，然后在10 s內(nèi)用火源點(diǎn)燃，結(jié)果所有的清洗劑均不燃燒，可見(jiàn)它們都屬于非易燃易爆清洗劑。

1.2.3揮發(fā)性

在燒杯內(nèi)放置100 mL不同清洗劑，10 °C條件下在通風(fēng)櫥內(nèi)敞口放置或者將燒杯放入35 °C水浴鍋中恒溫1 h，然后測(cè)量剩余清洗劑的體積，由此算出不同溫度下每小時(shí)溶劑揮發(fā)量，結(jié)果見(jiàn)表4?？梢?jiàn)SK-410B的揮發(fā)速率幾乎與汽油相當(dāng)，F(xiàn)R111的揮發(fā)比汽油慢，而X417與X100的揮發(fā)速率遠(yuǎn)低于汽油。

1.2.4掛水試驗(yàn)

為模擬火箭涂裝前擦拭油污的實(shí)際情況，選取了火箭殼體加工過(guò)程中常用的幾種典型機(jī)械用油作為人造油污，其組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：20% F-35防銹油，20%潤(rùn)滑油，20%凡士林，20%機(jī)油，20%耐磨油。將5塊200 mm × 200 mm鋁合金試板劃成100份，每塊試板上分別涂抹5 g的人造油污，靜置30 min。分別用干凈的棉布，蘸取不同的清洗劑和汽油，然后將棉布擰至半干，擦拭試板表面3遍。每一遍擦拭完畢，自然干燥后才進(jìn)行下一遍擦拭。擦拭3遍后，將試片放入小水槽中，30 s后緩緩取出，用SK-410B、X417、X100、FR111和汽油擦拭過(guò)的試板表面存在液滴的格子數(shù)分別為2、8、10、6和2個(gè)。存在液滴的格子數(shù)越少，說(shuō)明試板上殘留的油污越少，清洗劑的清洗效果就越好。

表4　不同清洗劑在不同溫度下的揮發(fā)速率Table 4　Volatilization rates of different cleaning agents at different temperatures

綜上所述，SK-410B的揮發(fā)速率以及清洗效果均與汽油相當(dāng)。另外3種清洗劑無(wú)論是揮發(fā)速率還是清洗效果均不如汽油。因此選擇SK-410B清洗劑用于火箭涂裝前處理除油工序。

2　清洗工序?qū)ν垦b質(zhì)量的影響

2.1　漆膜制備流程

2A14鋁合金試片上漆膜的制備流程：打磨→涂人造油污→使用清洗劑擦凈→噴涂油漆→干燥。

分別選取一個(gè)焊接箱體和鉚接殼體進(jìn)行清洗試驗(yàn)。兩件產(chǎn)品在噴漆前均使用干凈的棉布蘸SK-410B清洗劑擦拭3遍。將上述試片置于火箭產(chǎn)品不噴漆表面(如電纜罩安裝區(qū)域)，這樣可以保證產(chǎn)品表面涂裝狀態(tài)與試片表面涂裝狀態(tài)一致。

2.2　噴漆方案

(1) 使用專(zhuān)用稀釋劑將H06-2環(huán)氧酯底漆稀釋至噴涂黏度，并均勻地在產(chǎn)品及試片表面噴涂一遍(空氣壓力0.3 ～ 0.4 MPa，后同)，底漆厚度約為30 μm。

(2) 在室溫下干燥24 h以上。

(3) 使用專(zhuān)用稀釋劑將H04-2白色環(huán)氧硝基磁漆稀釋至噴涂黏度，并均勻地噴涂在產(chǎn)品及試片表面，共噴涂?jī)杀?，面漆涂層厚度?0 ～ 80 μm，要求無(wú)空白或流掛現(xiàn)象。

(4) 在室溫下干燥24 h以上。

2.3　漆膜的性能

2.3.1沖擊強(qiáng)度

按GB/T 1732-1993《漆膜耐沖擊測(cè)定法》測(cè)試漆膜的沖擊強(qiáng)度，要求達(dá)到50 kg·cm。結(jié)果無(wú)論是用SK-410B清洗劑還是用汽油來(lái)清洗試片，漆膜的沖擊強(qiáng)度都滿(mǎn)足要求。

2.3.2附著力

按GB/T 9286-1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗(yàn)》用劃格器進(jìn)行劃格，每個(gè)方格均為1 mm × 1 mm，然后根據(jù)格子脫落的面積進(jìn)行評(píng)級(jí)。結(jié)果漆膜的附著力可達(dá)到0級(jí)。圖1為劃格后漆膜的照片。

2.3.3耐濕熱性

濕熱試驗(yàn)條件為：30 ～ 60 °C，相對(duì)濕度85% ～ 95%，1個(gè)周期24 h，共10個(gè)周期。要求漆膜不起泡、無(wú)剝落。由圖2可見(jiàn)，漆膜與鋁合金試片結(jié)合良好，漆膜外觀(guān)在試驗(yàn)前后基本沒(méi)有出現(xiàn)變化。

圖1　經(jīng)清洗的2A14鋁合金表面所制漆膜的劃格試驗(yàn)照片F(xiàn)igure 1　Photo showing the coating prepared on cleaned 2A14 aluminum alloy surface after cross cut test

圖2　濕熱試驗(yàn)前(左)后(右)漆膜的照片F(xiàn)igure 2　Photo showing the coating before (left) and after (right) damp heat test

2.4　火箭產(chǎn)品表面漆膜的狀況

漆膜干燥后與箭體的附著力良好，如圖3所示，焊接箱體與鉚接殼體的表面漆膜均沒(méi)有出現(xiàn)起皮、剝落等現(xiàn)象。2件產(chǎn)品儲(chǔ)存一年后進(jìn)行發(fā)射，直至發(fā)射前，表面漆膜未出現(xiàn)起皮、剝落等現(xiàn)象。

圖3　用SK-410B清洗劑除油并涂裝后的火箭部件Figure 3　Some parts of a rocket degreased by SK-410B and painted

3　結(jié)語(yǔ)

用非易燃易爆清洗劑替代汽油對(duì)運(yùn)載火箭的外表面進(jìn)行除油，經(jīng)清洗后的金屬表面完全滿(mǎn)足涂裝要求。這不僅減少了運(yùn)載火箭涂裝前清洗過(guò)程中汽油的使用量，降低了易燃易爆的風(fēng)險(xiǎn)，而且有望大規(guī)模推廣至其他航天產(chǎn)品的除油工序。

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