高耐磨甲板防滑涂層的制備及其性能研究

鄧琦，王同良，白楊*，3，姜秀杰

1 海軍裝備部，北京100071

2 海洋化工研究院有限公司海洋涂料國家重點實驗室，山東青島266071

3 中國石油大學（華東）材料科學與工程學院，山東青島266580

0 引 言

隨著我國海洋資源開發(fā)利用的日漸成熟，船舶、海洋平臺等海洋工程裝備應用得越來越多，其甲板表面的防滑涂層逐漸成為人們關注的焦點［1］。甲板防滑涂層主要通過增大摩擦力來提高其表面的防滑性能，有效地降低人員、車輛以及飛機等其他物體的滑動性［2-3］。傳統(tǒng)甲板防滑涂層的硬度和摩擦系數(shù)在使用初期均能滿足需求，但隨著暴露在惡劣海洋環(huán)境中的時間持續(xù)增加，涂層的防滑及耐磨性能急劇下降，且后期涂層的維修和更換工作繁瑣復雜，維修成本高昂［4-5］。因此，開展新型甲板防滑涂層的研究迫在眉睫。

目前，常用的甲板防滑涂層主要是樹脂基防滑涂層，其優(yōu)點是施工工藝簡單、操作方便、涂層的結(jié)合強度及防滑性能能夠滿足大多數(shù)船舶甲板的需求［6］。樹脂基防滑涂層主要由樹脂、顏填料、溶劑、防滑粒料等組成［7］，按照涂料的組成分類為單組分、雙組分和多組分3 種涂層體系［8］。大多數(shù)涂層為雙組分環(huán)氧樹脂體系，其固化劑是能與環(huán)氧樹脂發(fā)生化學反應的胺類，這種熱固型體系經(jīng)過化學反應后硬度高且耐磨性能好［9-11］。例如MS-400G 型和MS-400L 型高固含量雙組分環(huán)氧樹脂體系涂層，因其具有較好的耐磨性和抗沖擊性，被廣泛應用于美國海軍大型艦船甲板［12-13］。Intershield 5150LWT 和Intershield 6GV 甲 板 防 滑涂層具有高耐磨性、高耐久性和輕量化等特點，可用于所有耐磨甲板區(qū)域［14-15］。

為解決傳統(tǒng)甲板防滑涂層在實際工況（干、濕、油態(tài)）下的耐磨損問題，本文將提出一種三明治結(jié)構(gòu)的高耐磨防滑涂層體系，其主要由改性環(huán)氧底漆、防滑層以及罩面面漆組成。通過研究涂層在不同工況下的防滑及耐磨行為，探討涂層的磨損機制。

1 試驗分析

1.1 試驗材料

新型高耐磨甲板防滑涂層所用原材料的基本信息如表1 所示。

1.2 涂層制備

圖1 為制備得到的甲板防滑涂層結(jié)構(gòu)示意圖。首先采用刷涂、輥涂或噴涂工藝在碳鋼基體上施工聚氨酯改性環(huán)氧防銹底漆，然后在防銹底漆上涂覆防滑層，最后在防滑層上涂裝一道聚氨酯罩面漆，以提高防滑層的耐候、耐老化性能。涂層的制備工藝主要包括5 個步驟。

表1 甲板防滑涂層所用工業(yè)級原材料Table 1 The industrial raw materials of non-skid deck coating

圖1 高耐磨強度甲板防滑涂層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of highly wear-resistant non-skid deck coating

1）基體材料表面處理。選擇厚度為3 mm 的Q235 碳鋼作為基體，對其表面進行噴砂/噴丸除銹處理，要求達到GB 8923-88 標準［16］中Sa 2.5 級，并進行除塵清潔。

2）聚氨酯改性環(huán)氧底漆制備。含羥基的多元醇化合物（聚醚多元醇、聚酯多元醇、羥基丙烯酸樹脂等）、2，4-甲苯異氰酸酯單體、環(huán)氧樹脂，在一定順序和條件下進行化學反應，合成改性環(huán)氧樹脂，并采用該樹脂制備具有合適剛性和柔性的涂料，提高涂層的防腐和耐磨性能。

3）將改性環(huán)氧底漆雙組分按規(guī)定比例混合均勻后，采用刷涂、輥涂或噴涂工藝在清潔后的基體表面進行底漆涂裝，干膜厚度達到120±10 μm。

4）充分混合顏填料、固化劑和防滑顆粒，采用刮涂、輥涂相結(jié)合的方式在已實干的防銹底漆表面施工，同時采用劃塊法控制涂層的厚度（750～3 000 μm），然后使用專用輥筒進行拉毛處理。

5）采用輥涂、刷涂等方式將按規(guī)定比例配制的雙組分聚氨酯罩面面漆涂裝在已實干的防滑層上。

1.3 涂層性能測試方法

1.3.1 涂層表面紋理深度測試

涂層表面紋理深度反映了涂層表面的粗糙程度，是指涂層表面上較小間距和峰谷組成的微觀幾何形狀特性［17］。按照GJB 2264-1995 標準［18］進行涂層表面紋理深度的測定。為了減少系統(tǒng)誤差，所有測試均采用3 個試樣（#1，#2，#3）平行進行。用攤平器將已知體積的砂在涂層表面攤平成一定范圍的圓，盡可能使其頂面齊平；然后再用鋼尺測量出圓的2 個垂直方向的直徑，取平均值，精確到5 mm；最后按照式（1）計算涂層表面平均紋理深度D：

式中：V 為砂的體積；S 為圓形砂的覆蓋面積。

1.3.2 涂層附著力測試

參照GB/T 5210-2006 標準［19］測試涂層結(jié)合強度。試驗設備采用PosiTest AT-M 數(shù)顯拉拔式附著力測試儀，圓柱形拉拔試樣尺寸為20 mm×30 mm，采用強力環(huán)氧膠，對其A，B 組分進行等量混合，將混合后的膠黏劑涂抹在試柱和涂層表面，重合壓緊15 min 后再常溫固化2 h，結(jié)合強度取3個試樣的算術平均值。測試原理如圖2 所示。

圖2 抗拉伸結(jié)合強度測定Fig.2 Determination of tensile adhesive strength

1.3.3 涂層抗沖擊性能測試

參考美軍標MIL-PRF-24667C［20］中有機防滑涂層抗沖擊力的測試方法。試樣尺寸為150 mm×150 mm×5 mm，沖擊球為15.875 mm 的半球形，質(zhì)量1.8 kg，沖擊高度1.2 m。試樣固定后，按照圖3所示的沖擊順序進行抗沖擊試驗，相鄰沖擊點的中心間距均為20±1.5 mm。由圖3 可見，連續(xù)沖擊點呈5×5 矩陣，沖擊面積約為58 cm2。

1.3.4 涂層摩擦系數(shù)測試

圖3 抗沖擊試驗的沖擊順序示意圖Fig.3 Schematic diagram of the impact sequence in impact resistance test

涂層表面的防滑性不僅能反映涂層的使用壽命，還是評價涂層性能的重要指標之一。本文試驗參照美軍標MIL-PRF-24667C 中有機防滑涂層摩擦系數(shù)的測試方法，采用MXD-02 型摩擦系數(shù)測定儀測量。測試試樣尺寸為150 mm×300 mm×3 mm，硫化氯丁橡膠墊（邵氏硬度57±2 HA）包覆在一塊145 mm×100 mm×22 mm 的鋼板上，氯丁橡膠墊加鋼板的總質(zhì)量為2.7±0.2 kg。試驗參數(shù)：加載力2.7±0.2 kg，移動速度300 mm/min，移動距離25 mm。干態(tài)條件測試完成后，用天然海水潤濕試樣，按照上述參數(shù)進行試驗；濕態(tài)條件下測試完成后，用自來水沖去試樣上的天然海水，并在120 ℃下干燥1 h，冷卻至標準條件，再用3 號航空煤油潤濕，并基于上述參數(shù)進行測試。

1.3.5 涂層耐磨損性能測試

參照美軍標MIL-PRF-24667C［20］中有機防滑涂層耐磨損測試方法，利用如圖4 所示自制的防滑涂料磨損測試儀進行滑動磨損試驗。防滑涂料磨損測試采用3 塊尺寸為300 mm×150 mm×6 mm的鋼板，制備涂層之前測量每塊鋼板的重量，精確到0.5 g。磨件采用直徑為3 mm 的鋼條，其長度比鋼板寬度大。試驗參數(shù)：加載力13.6±0.1 kg，往復式運動距離225 mm。每塊試樣在防滑涂層磨損測試儀上循環(huán)進行50 次磨損試驗，稱重后再循環(huán)進行450 次磨損試驗。涂料磨損時，磨件鋼條將在初始的50 次循環(huán)，及之后每150 次循環(huán)進行更換。完成耐磨試驗后對試樣稱重。磨損失重率按式（2）進行計算。

式中：M 為磨損失重率；M1為涂刷涂料之前試樣的重量；M2為循環(huán)50 次后試樣的重量；M3為測試結(jié)束時試樣的重量。

2 涂層表面紋理深度分析

圖4 滑動磨損測試裝置Fig.4 Sliding wear test apparatus

圖5 所示為甲板防滑涂層的平均紋理深度隨磨損次數(shù)的變化曲線。由圖可見，隨著磨損次數(shù)的增加，涂層的平均紋理深度整體呈下降趨勢。3 塊試樣涂層磨損前表面平均紋理深度分別為1.14，1.10，1.08 mm，平均紋理深度較高；當磨損次數(shù)小于50 次時，涂層的平均紋理深度隨著磨損次數(shù)的增加明顯下降，之后涂層的平均紋理深度下降趨于平緩；當磨損次數(shù)達到500 次時，涂層表面平均紋理深度下降至0.7 mm 左右。

圖5 涂層的平均紋理深度隨磨損次數(shù)的變化曲線Fig.5 Average texture depth of non-skid deck coatings versus the number of wear cycle

3 涂層的力學性能分析

3.1 附著力

涂層附著力是指涂層與基體表面之間相互粘結(jié)的能力，反映了涂層與基體表面的粘附力和涂層本身的內(nèi)聚力。涂層的附著力測試結(jié)果如表2所示，測得3 塊試樣的附著力分別為12.8，13.0 和12.6 MPa，平均附著力為12.8 MPa。如圖6 所示，甲板防滑涂層斷裂主要發(fā)生在防滑層的內(nèi)部，說明防滑層的內(nèi)聚力小于防滑層與底漆、底漆與基體之間的黏著力以及底漆之間的內(nèi)聚力。相關研究發(fā)現(xiàn)［21］，涂層內(nèi)聚力與涂層厚度有一定的相關性，當涂層超過一定厚度時，涂層內(nèi)聚力隨涂層厚度的增加呈線性遞減趨勢。

表2 甲板防滑涂層的附著力和抗沖擊性能測試結(jié)果Table 2 Test results of adhesion and impact resistance for non-skid deck coatings

圖6 拉開斷裂試驗后涂層試樣的宏觀形貌圖Fig.6 Macroscopic topography of coating samples after tensile fracture test

3.2 抗沖擊性能

表2 給出了3 種涂層試樣的抗沖擊試驗結(jié)果。從表中可以看出，3 塊試樣的抗沖擊性能較好，涂層的完好率均為100%。這主要是由于大分子量聚醚多元醇合成的聚氨酯軟段鏈長且柔性好［22］。圖7 所示為沖擊試驗后3 塊試樣的宏觀照片。由圖可見，沖擊后的涂層表面均未發(fā)現(xiàn)裂紋和塊狀剝落現(xiàn)象，且各個沖擊點之間也無連通斷裂。

圖7 沖擊試驗后涂層試樣的宏觀形貌圖Fig.7 Macroscopic topography of coating samples after impact test

3.3 防滑性能

圖8 為在不同工況和磨損次數(shù)下3 塊試樣的摩擦系數(shù)測試結(jié)果。由圖可見，不同工況下涂層的摩擦系數(shù)（CoF）均隨著磨損次數(shù)的增加呈緩慢降低的趨勢。磨損前涂層試樣的干態(tài)摩擦系數(shù)分別為1.20，1.23 和1.25；海水潤濕條件下，未磨損涂層表面的摩擦系數(shù)比干態(tài)條件下的摩擦系數(shù)略有下降，說明該涂層體系在海水潤濕條件下仍能保持較好的防滑性能；在3 號航空煤油潤濕的條件下，試樣涂層的摩擦系數(shù)較干態(tài)和濕態(tài)摩擦系數(shù)下降明顯，因為航空煤油在摩擦過程中起到了潤滑作用。相關文獻表明［23］，在油潤滑的條件下，涂層和摩擦副之間易形成一種吸附膜，吸附膜的減摩和潤滑作用導致涂層的防滑性能明顯降低。

圖8 不同工況和磨損次數(shù)下涂層的摩擦系數(shù)測試結(jié)果Fig.8 Test results of CoF for non-skid deck coatings under different conditions and number of wear cycle

3.4 耐磨損性能

圖9 為3 塊試樣的磨損失重率隨磨損次數(shù)的變化曲線。由圖可見，磨損次數(shù)達到500 次后，3塊試樣的磨損失重率分別為5.875%，5.667%和4.301%，涂層的耐磨損性能超過了傳統(tǒng)甲板防滑涂層［24］。而美軍標MIL-PRF-24667C 要求輥涂甲板防滑涂料的磨損失重率小于40%［20］，由此看出該涂料的耐磨損性能高出美軍標要求，性能優(yōu)異。從圖9 可以看出，涂層的磨損過程可劃分為初期磨損和穩(wěn)態(tài)磨損2 個階段［24］。第1 階段為磨損初始階段（循環(huán)磨損0～200 次），如圖10（a）所示，涂層的磨損失重率隨著磨損次數(shù)的增加呈現(xiàn)迅速上升的趨勢；在該階段，涂層表面局部凸起部分和磨件之間發(fā)生了接觸磨損，導致磨屑脫落，脫落下來的磨屑在切向壓力和法向壓力共同作用下劃傷涂層表面，導致涂層表面出現(xiàn)少量劃痕和較淺的犁溝。第2 階段為磨損穩(wěn)定階段（循環(huán)磨損200～500 次），如圖10（b）所示，隨著磨損次數(shù)的增加，涂層表面與磨件之間由點面接觸磨損逐漸變?yōu)槊婷娼佑|磨損，涂層表面的磨損形貌變得較為光滑，磨損過程變得平穩(wěn)，磨損失重率緩慢增加。由此可知，甲板防滑涂層與對磨件的滑動磨損機制主要是磨損初期的磨粒磨損和磨損穩(wěn)定階段的粘著磨損。

圖9 涂層磨損失重率隨磨損次數(shù)的變化曲線Fig.9 Variation of the wear loss rate of the coatings with the wear cycle

圖10 甲板防滑涂層磨痕表面三維形貌圖Fig.10 Three-dimensional topography of worn surface for the non-skid deck coatings

4 結(jié) 論

本文提出一種研制的三明治結(jié)構(gòu)新型高耐磨甲板防滑涂層，該涂層主要由聚氨酯改性環(huán)氧防銹底漆、防滑層和聚氨酯罩面面漆組成。對該防滑涂層的表觀、力學性能、防滑性能及其耐磨損性能進行了測試分析，得到如下結(jié)論：

1）涂層表面呈脊、谷相間的粗糙紋理狀態(tài)，涂層磨損前表面平均紋理深度在1.10 mm 左右，隨著磨損次數(shù)的增加，涂層表面平均紋理深度整體呈下降的趨勢；磨損次數(shù)達500 次后，涂層表面平均紋理深度下降至0.7 mm 左右。

2）涂層的平均附著力為12.8 MPa，且涂層試樣斷裂主要發(fā)生在防滑層內(nèi)部，說明防滑層的內(nèi)聚力小于防滑層與底漆、底漆與基體之間的黏著力以及底漆之間的內(nèi)聚力；涂層樣品的抗沖擊性能均較好，沖擊25 次后的涂層試樣表面均未發(fā)現(xiàn)裂紋和塊狀剝落的現(xiàn)象，涂層的完好率為100%。

3）涂層在不同工況（干態(tài)、濕態(tài)、油態(tài)）下的摩擦系數(shù)隨著磨損次數(shù)的增加呈緩慢降低的趨勢，磨損前涂層試樣的干態(tài)摩擦系數(shù)約1.20；海水潤濕條件下，涂層表面的摩擦系數(shù)比干態(tài)摩擦系數(shù)略有下降，但仍然表現(xiàn)出較好的防滑性能；在3號航空煤油潤濕條件下，涂層的摩擦系數(shù)較干態(tài)和濕態(tài)的摩擦系數(shù)明顯下降，因為航空煤油在摩擦過程中起到了邊界潤滑作用。

4）涂層與磨件的磨損過程可劃分為初期磨損和穩(wěn)態(tài)磨損2 個階段；涂層的磨損失重率隨著磨損次數(shù)的增加呈現(xiàn)先迅速增加后緩慢上升，磨損500 次后，涂層的磨損失重率在5%左右，涂層表面出現(xiàn)少量劃痕和較淺的犁溝，表現(xiàn)出較好的耐滑動磨損性能；甲板防滑涂層與磨件的滑動磨損機制主要是磨損初期的磨粒磨損和磨損穩(wěn)定階段的粘著磨損。

本研究成果不僅能夠保證海洋結(jié)構(gòu)物的服役安全性，還可為新型甲板防滑涂層的開發(fā)與應用提供理論依據(jù)，對于加速我國海軍現(xiàn)代化建設和提高部隊戰(zhàn)斗力具有十分重要的軍事意義。