航空飛行器外蒙皮用新型色漆/清漆涂層系統(tǒng)與常規(guī)涂層系統(tǒng)的對比研究

王李軍，狄志剛，周如東，朱亞君，潘云飛，陸文明，趙寶華，張 睿，王留方

（1.中海油常州涂料化工研究院有限公司，江蘇常州 213016；2.中海油常州環(huán)保涂料有限公司，江蘇常州 213014）

0 引言

航空飛行器外蒙皮用常規(guī)涂層系統(tǒng)由防腐底漆和著色面漆組成，見圖1。通常，底漆形成的涂層干膜厚度約為15～25 μm，面漆形成的涂層干膜厚度約為50～80 μm。雖然航空飛行器外蒙皮用常規(guī)涂層系統(tǒng)的性能已基本能夠滿足現(xiàn)役各型航空飛行器的需求，但仍然存在以下問題：（1）底漆和面漆均含有大量密度較高的顏料和填料，故常規(guī)涂層系統(tǒng)偏重，會增加航空飛行器的質(zhì)量，進(jìn)而增加了航空飛行器的油耗；（2）最終涂層體系的光澤度和鮮映性與面漆的涂裝效果有直接關(guān)系，一旦面漆出現(xiàn)桔皮、流掛、針孔、沙狀表面等缺陷，則最終涂層體系的光澤度會大幅下降，同時其色彩呈現(xiàn)的準(zhǔn)確性也將受到影響，因此，對涂裝質(zhì)量有苛刻的要求；（3）面漆干膜較厚，必須通過多道施工才能達(dá)到規(guī)定的膜厚，故整體涂裝效率較低；（4）面漆直接與大氣環(huán)境接觸，長期受紫外光、空氣中的氧氣以及雨水的侵蝕，容易粉化、失光，導(dǎo)致涂層體系的光澤保持率和色彩持久度相對較差。

圖1 常規(guī)涂層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structure diagram of conventional coating system

2010年，美國PPG公司率先對外正式發(fā)布航空飛行器外蒙皮用色漆/清漆（Desothane?HD/CA 9008 Basecoat/ClearCoat）涂層系統(tǒng)新產(chǎn)品，該涂層系統(tǒng)由高遮蓋力底色漆與外表面封閉清漆組成，見圖2。隨后，荷蘭AKZO公司和德國Mankiewicz公司相繼發(fā)布了Alexit?H/S BaseCoat 411-22、Alexit?ClearCoat 411-22與Aerodur?H/S BaseCoat 3001、Aerodur?H/S ClearCoat 3002涂層系統(tǒng)產(chǎn)品。上述3家公司的航空飛行器外蒙皮用色漆/清漆涂層系統(tǒng)產(chǎn)品已在空客A380、A330等多個型號的機(jī)身上獲得了實際應(yīng)用。

2015年，中海油常州涂料化工研究院開始進(jìn)行航空飛行器外蒙皮用新型色漆/清漆涂層系統(tǒng)的研究工作，現(xiàn)已形成正式產(chǎn)品在中海油常州環(huán)保涂料有限公司進(jìn)行生產(chǎn)和銷售［1-3］。

圖2 新型色漆/清漆涂層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Structure diagram of new basecoat/clearcoat coating system

本研究采用航空涂料行業(yè)常用的試驗設(shè)備和方法，對航空飛行器外蒙皮用新型色漆/清漆涂層系統(tǒng)與常規(guī)涂層系統(tǒng)的關(guān)鍵性能，如裝飾性、單位面積質(zhì)量、戶外耐久性以及施工效率等進(jìn)行對比試驗，為航空飛行器外蒙皮用涂料的選擇提供參考依據(jù)。

1 試驗部分

1.1 試驗樣品

常規(guī)涂層系統(tǒng)（底漆：H06-27環(huán)氧聚酰胺底漆，H06-27環(huán)氧聚酰胺底漆固化劑，2033稀釋劑；面漆：S04-21白色聚氨酯磁漆，S04-21固化劑，S04-21/61/81稀釋劑）。新型色漆/清漆涂層系統(tǒng)（底漆：H06-27環(huán)氧聚酰胺底漆，H06-27環(huán)氧聚酰胺底漆固化劑，2033稀釋劑；色漆：CTN-3791白色聚氨酯磁漆，CTN-3791固化劑，CTN-7478稀釋劑；清漆：CTN-3792清漆，CTN-3791固化劑，CTN-7478稀釋劑），均為中海油常州環(huán)保涂料有限公司產(chǎn)品。

1.2 性能測試

光澤度：按照GB/T 1743—1979《漆膜光澤度測定法》進(jìn)行測試；桔皮，豐滿度：目測；面密度：按照ISO 3233—1：2013《油漆和清漆的非揮發(fā)性物質(zhì)體積百分率的測定—第1部分：使用涂布測試板測定非揮發(fā)性物質(zhì)并通過阿基米德原理確定干膜密度的方法》進(jìn)行測試；人工氣候老化：按照ISO 11507—2007《色漆和清漆 涂層暴露于人工風(fēng)化環(huán)境、暴露于熒光紫外燈和水環(huán)境》進(jìn)行測試。

1.3 試驗設(shè)備

德國BYK-4846微型顏色高光澤表面鮮映性DIO儀；德國BYK-4563三角度光澤儀；美國愛色麗7000A型臺式色彩色差儀；美國Q-Lab公司紫外線光照老化試驗箱。

2 結(jié)果與討論

2.1 裝飾性對比

隨著航空工業(yè)的高速發(fā)展，各大航空制造企業(yè)對航空飛行器外蒙皮用涂層系統(tǒng)的裝飾性越來越重視，這就對涂裝質(zhì)量提出了更高的要求。裝飾性涂料的涂裝質(zhì)量通常采用光澤度、桔皮、鮮映性（DOI）以及豐滿度進(jìn)行表征。對常規(guī)涂層系統(tǒng)與新型色漆/清漆涂層系統(tǒng)的上述4項性能進(jìn)行了測試，結(jié)果見表1。

表1 兩種涂層系統(tǒng)的裝飾性測試數(shù)據(jù)對比Table 1 Comparison of decorative test datas of two coating systems

由表1可知，新型色漆/清漆涂層系統(tǒng)的光澤度、鮮映性（DOI）、豐滿度以及流平性能均優(yōu)于常規(guī)涂層系統(tǒng)，裝飾性更佳。試驗還發(fā)現(xiàn)，常規(guī)涂層系統(tǒng)的光澤度和鮮映性與面漆的涂裝效果有直接關(guān)系，一旦面漆出現(xiàn)桔皮、流掛、針孔、沙狀表面等缺陷，則最終涂層系統(tǒng)的光澤度會大幅下降，同時，其色彩呈現(xiàn)的準(zhǔn)確性也將受到影響，因此，對涂裝質(zhì)量有苛刻的要求。而新型色漆/清漆涂層系統(tǒng)的裝飾性則受涂裝質(zhì)量的影響較小，即使非熟練噴漆工進(jìn)行施工，涂層系統(tǒng)的裝飾性仍能獲得保證，非熟練噴漆工施工的兩種涂層系統(tǒng)的外觀狀態(tài)見圖3。

圖3 兩種涂層系統(tǒng)的外觀狀態(tài)Figure 3 Appearance of two coating systems

由于航空飛行器體積龐大且形狀復(fù)雜，往往需要十幾名噴漆工同時進(jìn)行施工，這使涂裝質(zhì)量很難進(jìn)行有效控制。因此，采用噴涂技術(shù)對涂裝質(zhì)量影響小且裝飾性更佳的新型色漆/清漆涂層系統(tǒng)進(jìn)行整機(jī)涂裝效果更好。

2.2 單位面積質(zhì)量對比

美國PPG公司航空材料事業(yè)部經(jīng)理曾公開表示：與常規(guī)涂層系統(tǒng)相比，新型色漆/清漆涂層系統(tǒng)可為航空飛行器減重15%～35%（質(zhì)量比），使用該涂層系統(tǒng)，一架小型飛機(jī)一年可節(jié)省近10萬美元的燃油費(fèi)，大型飛機(jī)則可節(jié)省近60萬美元的燃油費(fèi)。本研究通過實測底漆、色漆以及清漆的干膜面密度，采用公式“單位面積質(zhì)量=干膜面密度×干膜厚度”來計算兩種涂層系統(tǒng)的單位面積質(zhì)量，結(jié)果見表2。

由表2可知，以白色實色漆為例，由于新型色漆/清漆涂層系統(tǒng)中色漆的厚度大幅降低，即使增加了1道清漆，新型色漆/清漆涂層系統(tǒng)仍可實現(xiàn)減重19.3%（質(zhì)量比）。

表2 各涂層及涂層系統(tǒng)的單位面積質(zhì)量Table 2 Weight per unit area of each coating and coating system

2.3 戶外耐久性對比

常規(guī)涂層系統(tǒng)的色漆直接與大氣環(huán)境接觸，長期受紫外光、空氣中的氧氣以及雨水的侵蝕，容易粉化、失光，導(dǎo)致涂層系統(tǒng)的光澤保持率和色彩持久度相對較差；而在新型色漆/清漆涂層系統(tǒng)中，與含有大量著色顏填料的色漆相比，清漆的致密性更高，能夠有效防止空氣中的氧氣以及雨水的侵蝕，同時，在清漆中加入紫外光吸收劑，能夠有效阻止紫外線透過清漆直接輻照色漆，從而大幅度提升涂層系統(tǒng)的光澤保持率和色彩持久度，見圖4。清漆的屏蔽作用見圖5。常規(guī)涂層系統(tǒng)與新型色漆/清漆涂層系統(tǒng)的戶外耐久性對比數(shù)據(jù)見表3。

圖4 涂層系統(tǒng)受外界影響示意圖Figure 4 Schematic diagram of coating system affected by external environment

圖5 清漆的屏蔽作用Figure 5 Shielding effect of clearcoat

表3 人工老化測試前后的光澤度以及色差值Table 3 Gloss and color difference before and after artificial aging test

由表3可知，經(jīng)1 000 h人工氣候老化測試后，常規(guī)涂層系統(tǒng)的光澤度從86.7下降至76.5，光澤保持率為88.2%；新型色漆/清漆涂層系統(tǒng)的光澤度從92.5下降至92.0，光澤保持率為97.3%；1 000 h人工氣候老化測試前后，新型色漆/清漆涂層系統(tǒng)的色差值遠(yuǎn)低于常規(guī)涂層系統(tǒng)。與常規(guī)涂層系統(tǒng)相比，新型色漆/清漆涂層系統(tǒng)具有更加優(yōu)異的光澤保持率和色彩持久度。

2.4 施工效率對比

航空飛行器整機(jī)涂裝流程包括：表面處理、噴底漆、干燥、遮蔽、噴白色面漆、干燥、遮蔽、噴標(biāo)識色漆、干燥、遮蔽以及去遮蔽等20余項工序，見表4。飛行器整機(jī)涂裝現(xiàn)場見圖6。

表4 兩種涂層系統(tǒng)的涂裝工序及所需工時Table 4 The painting process and the required labor hours of the two coating systems

續(xù)表4

圖6 航空飛行器整機(jī)涂裝現(xiàn)場Figure 6 Painting site of aviation aircraft

從表4可知，與涂裝常規(guī)涂層系統(tǒng)相比，雖然涂裝新型色漆/清漆涂層系統(tǒng)增加了噴涂清漆的工序，但是新型色漆/清漆涂層系統(tǒng)色漆的涂裝與干燥所需工時遠(yuǎn)低于常規(guī)涂層系統(tǒng)相應(yīng)工序所需工時，涂裝同一架飛機(jī)，采用新型色漆/清漆涂層系統(tǒng)可節(jié)約43工時，能夠使飛機(jī)的噴涂環(huán)節(jié)縮短1～2 d。

3 結(jié)語

對航空飛行器外蒙皮用新型色漆/清漆涂層系統(tǒng)與常規(guī)涂層系統(tǒng)的裝飾性、單位面積質(zhì)量、戶外耐久性以及施工效率等進(jìn)行了對比試驗，試驗結(jié)果表明：新型色漆/清漆涂層系統(tǒng)的裝飾性與保光保色性更佳，施工效率更高，減重效果明顯，可節(jié)省燃油消耗。