全啞光飛機蒙皮涂料光澤度不穩(wěn)定因素的探討

楊紅濤，周如東

（1.航空工業(yè)西安飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司，陜西西安 710089；2.中海油常州涂料化工研究院有限公司，江蘇常州 213016；3.中海油常州環(huán)保涂料有限公司，江蘇常州 213012）

0 引言

為降低可視度，提高飛機的戰(zhàn)場生存能力，軍用飛機整機涂裝大多采用全啞光型涂料。然而，由于全啞光型涂料具有光澤度不穩(wěn)定的特點，整機涂裝時，施工黏度、漆膜厚度、干燥溫度以及稀釋劑揮發(fā)速率等均對涂料光澤度的穩(wěn)定性有較大影響，從而導(dǎo)致機身不同部位的光澤度經(jīng)常出現(xiàn)較大偏差，呈現(xiàn)顏色、色調(diào)不均勻的現(xiàn)象。噴漆操作人員需要對飛機進行多次修正，嚴重影響整機涂裝的施工進度［1］。

通過對軍用飛機全啞光型涂料的施工工藝展開專項研究，從漆膜厚度、施工黏度以及干燥溫度等3個方面，找出影響漆膜光澤度穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，對進一步提升整機涂裝時漆膜的光澤度穩(wěn)定性與外觀質(zhì)量，提出一些切實可行的建議與措施。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

CTA-3781 灰色高固體分聚氨酯磁漆（全啞光）、CTA-7081 聚氨酯固化劑、CTA-7478 稀釋劑，中海油常州環(huán)保涂料有限公司；2024-T3 航空鋁合金樣板（7 cm×15 cm），進口。

1.2 主要儀器設(shè)備

單角度/多角度光澤度計（A-4430），德國BYK公司；恒溫恒濕箱（KBF240），德國Binder；漆膜測厚儀（QNix8500），德國尼克斯；T4 黏度杯（LND-1），萬江偉達；三維測量激光顯微鏡（OLS4100），日本OLYMPUS。

1.3 試樣制備

（1）取多塊2024-T3 航空鋁合金樣板，用400目砂紙打磨，然后用除塵布擦凈，備用。

（2）取CTA-3781 灰色高固體分聚氨酯磁漆500 g、CTA-7081 聚氨酯固化劑300 g、CTA-7478 稀釋劑300 g，備用。

（3）取上述打磨好的2024-T3 航空鋁合金樣板7 塊，編號1#～7#，將漆、固化劑、稀釋劑（通用）按質(zhì)量比100∶40∶30 的比例混合均勻，調(diào)整T4 黏度為18 s，由同一施工人員按相同的手法噴涂在7塊樣板上，分別控制干膜厚度為20 μm、30 μm、40 μm、50 μm、60 μm、70 μm、80 μm，在相同的時間（72 h）及溫濕度［恒溫恒濕箱：溫度（25±1）℃，濕度60%］條件下進行流平及干燥后，按GB/T 1743—1979 規(guī)定用單角度/多角度光澤度計測試漆膜光澤（60°）。

（4）取上述打磨好的2024-T3 航空鋁合金樣板5 塊，編號8#～12#，將漆、固化劑按質(zhì)量比100∶40 的比例混合，加入不同用量的稀釋劑，控制涂料的T4 黏度分別為16 s、18 s、20 s、22 s、24 s，由同一施工人員按相同的手法進行噴涂，控制干膜厚度均為40 μm，在相同的時間（72 h）及溫濕度［恒溫恒濕箱：溫度（25±1）℃，濕度60%］條件下進行流平及干燥后，按GB/T 1743—1979 規(guī)定用單角度/多角度光澤度計測試漆膜光澤（60°）。

（5）取上述打磨好的2024-T3 航空鋁合金樣板6 塊，編號13#～18#，將漆、固化劑、稀釋劑（通用）按質(zhì)量比100∶40∶30 的比例混合均勻，T4 黏度為18 s，由同一施工人員按相同的手法進行噴涂，控制干膜厚度均為40 μm，將樣板分別在相同的時間（72 h）、濕度（60%）及不同的溫度［（10±1）℃、（15±1）℃、（20±1）℃、（25±1）℃、（30±1）℃、（35±1）℃］條件下進行流平及干燥后，按GB/T 1743—1979 規(guī)定用單角度/多角度光澤度計測試漆膜光澤（60°）。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂料的消光機理

2.1.1 光澤和光澤度的定義

（2）降低了運行成本。改造后，行車僅做檢修用，行車電耗減少了；使用洗水去洗滌帶式過濾機濾布既可節(jié)約用水，也可防止系統(tǒng)內(nèi)水量膨脹；堿液噴淋淋洗工藝按氣量130000Nm3/h、酸霧初始濃度400mg/m3、排放濃度濃度40mg/m3，年消耗NaOH （100%）300t，約為 96 萬元。電除霧工藝按同等含酸霧廢氣條件，電除霧捕收酸霧產(chǎn)生的廢酸按全部采用石灰中和方式處理，年需消耗石灰433t，費用約為15萬元。綜合比較，電除霧工藝每年運行費用要較堿液噴淋淋洗工藝節(jié)約80萬元。

光線投射到物體的表面會發(fā)生反射，物體表面對光線的反射能力稱為光澤。不同物體表面的光澤不一樣，衡量物體表面對光線的反射能力大小的物理量，稱為光澤度，光澤度用百分數(shù)表示。物體表面的光澤度越高，它反射光線的能力就越強，亮度也就越高。光澤度的大小通過光澤計進行測定，根據(jù)光澤度的大小，涂料行業(yè)通常將涂料分為亮光型、半啞光型、全啞光型等幾種［2］，見表1。

表1 涂料按光澤度的分類（60°反射）Table 1 Classification of coatings according to gloss（60° reflection）

軍用飛機整機涂裝大多采用全啞光型涂料，其配套涂料的光澤度一般要求＜5%。

2.1.2 影響漆膜光澤度的因素

漆膜光澤度與漆膜表面的粗糙程度密切相關(guān)。光線照射到漆膜表面時，一部分被吸收，一部分發(fā)生反射和散射，還有一部分會發(fā)生折射［3］。漆膜表面的粗糙度越小，則被反射的光線越多，漆膜光澤度越高。相反，如果漆膜表面凹凸不平，則被散射的光線增多，導(dǎo)致漆膜光澤度降低［4］。表面粗糙度對光線的影響見圖1。

圖1 表面粗糙度對光線的影響Figure 1 Influence of surface roughness on light

采用三維測量激光顯微鏡觀察光澤度為91%的亮光型涂料和光澤度為4%的全啞光型涂料的漆膜表面狀態(tài)，并且，利用軟件對兩種漆膜的表面粗糙度進行了計算，結(jié)果分別見圖2、圖3。

圖2 亮光型涂料的漆膜表面狀態(tài)與粗糙度Figure 2 Film surface state and roughness of high gloss paint

圖3 全啞光型涂料的漆膜表面狀態(tài)與粗糙度Figure 3 Film surface state and roughness of flat paint

由圖2 和圖3 可知，光澤度越高，則漆膜粗糙度越小，表面越平整；光澤度越低，則漆膜的粗糙度越大，表面越凹凸不平。

目前，涂料消光主要依靠添加消光劑來完成。涂料施工后，溶劑開始揮發(fā)，伴隨著體系黏度的增加直至完全干燥，形成堅硬而又有彈性的漆膜。溶劑的揮發(fā)導(dǎo)致消光劑分布在整個漆膜表面，同時漆膜變薄，這種收縮產(chǎn)生微觀粗糙面，即獲得了消光涂層［5］。消光涂層的成膜過程見圖4。在消光涂層的成膜過程中，漆膜厚度、施工黏度以及干燥溫度等影響涂層干燥的因素均會對最終漆膜的表面光澤度產(chǎn)生影響。

圖4 消光涂層的形成過程Figure 4 Formation process of matte coating

2.2 漆膜厚度對光澤度的影響

在整機涂裝過程中，由于涂裝操作人員噴涂手法和習(xí)慣存在個體差異，往往會導(dǎo)致機身表面的漆膜厚薄不均。理論上，漆膜厚度越大，漆膜中消光劑含量越多，消光效果越好。但是，事實并非如此，這主要是由于消光劑需要遷移到漆膜表面才能實現(xiàn)消光功能，消光劑的遷移受到多方面因素的影響，其定向排列和最終位置存在不確定性。在保證涂料組分、施工黏度、干燥溫度、施工操作人員以及施工工藝一致的情況下，制備了1#～7#不同膜厚的樣板，考察漆膜厚度對其光澤度的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 漆膜厚度對光澤度的影響Figure 5 Influence of film thickness on gloss

由圖5 可知，隨著漆膜厚度的增加，漆膜的光澤度呈現(xiàn)上升的趨勢。主要原因有以下幾點：（1）漆膜濕膜厚度越大，消光劑遷移到漆膜表面的行程越大；（2）當(dāng)溶劑揮發(fā)到一定階段后，自由體積減少，其揮發(fā)速率明顯下降，消光劑的遷移受阻；（3）進入最終干膜階段，一部分消光劑被固定在漆膜中無法充分地遷移至漆膜表面。上述原因均會降低消光效果，導(dǎo)致漆膜光澤度的上升［6］。

2.3 施工黏度對光澤度的影響

在整機涂裝過程中，涂料的施工黏度并不是一個固定值，要根據(jù)施工實際需要進行調(diào)節(jié)，并且，隨著施工的進行，槍罐中的雙組分涂料也會因發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致施工黏度的上升。一般情況下，較為合適的涂料黏度的范圍為16～24 s，不同的施工黏度對最終漆膜的光澤度也會產(chǎn)生一定的影響。

在涂料的組分、干膜厚度、干燥溫度、施工操作人員以及施工工藝一致的情況下，在航空鋁合金樣板表面噴涂不同施工黏度的涂料，制備8#～12#樣板，考察施工黏度對漆膜光澤度的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 施工黏度對光澤度的影響Figure 6 Influence of construction viscosity on gloss

由圖6 可知，隨著涂料施工黏度的上升，漆膜的光澤度呈現(xiàn)下降的趨勢。這主要是由于形成相同干膜厚度的漆膜，施工黏度低的涂料需要噴涂更多的道數(shù)。與施工黏度較高的涂料相比，獲得相同的干膜厚度，施工黏度低的涂料的濕膜厚度更大，消光劑遷移到漆膜表面的行程與阻力增加，能夠聚集在漆膜表面的消光劑減少，漆膜表面的光澤度就升高。同時，通過試驗還發(fā)現(xiàn)，施工黏度在18～22 s 范圍內(nèi)時，漆膜的光澤度相對穩(wěn)定。

2.4 干燥溫度對光澤度的影響

為保證整機涂裝廠房的溫濕度能夠滿足施工要求，冬季開展整機涂裝工作時，通常需要對噴漆廠房進行加溫。在冬季整機涂裝時發(fā)現(xiàn)，廠房不同高度段的溫度存在較大差異，高度越高，溫度越高，例如：機身下表面的溫度為18 ℃時，機身上表面的溫度為23 ℃，機身垂尾的溫度則高達35 ℃。現(xiàn)場溫度的高低會影響涂料中稀釋劑的揮發(fā)以及涂料自身的干燥，從而影響最終漆膜的光澤度。

在涂料組分、干膜厚度、施工黏度、施工操作人員以及施工工藝一致的情況下，制備13#～18#樣板，并將其放置在不同的溫度條件下進行干燥，研究干燥溫度對漆膜光澤度的影響，結(jié)果見圖7。

由圖7 可知，隨著干燥溫度的上升，漆膜的光澤度呈現(xiàn)上升的趨勢。這是由于隨著溫度的升高，涂料中溶劑的揮發(fā)速度加快，大量消光劑尚未遷移至漆膜表面就被阻滯或固定在漆膜中間，消光效果降低，漆膜光澤度升高［7］。

在實際整機涂裝過程中我們發(fā)現(xiàn)，針對廠房不同高度段溫差較大的問題，可根據(jù)不同的現(xiàn)場溫度，使用不同揮發(fā)速率的稀釋劑進行解決。如現(xiàn)場環(huán)境溫度較高時，建議選擇揮發(fā)速率較慢的稀釋劑來延長消光劑遷移至漆膜表面的時間，提升消光效率，降低漆膜光澤度；反之，則建議選擇揮發(fā)速率較快的稀釋劑。

圖7 干燥溫度對漆膜光澤度的影響Figure 7 Effect of drying temperature on gloss

3 結(jié)語

重點探討了漆膜厚度、涂料施工黏度以及干燥溫度等因素對最終漆膜光澤度的影響，得到結(jié)論如下：

（1）采用三維測量激光顯微鏡對漆膜的表面狀態(tài)進行觀察并自動計算粗糙度可知，光澤度越高，漆膜粗糙度越小，則表面越平整；光澤度越低，漆膜的粗糙度越大，則表面越凹凸不平。

（2）隨著漆膜厚度的增加，漆膜的光澤度呈現(xiàn)上升的趨勢。

（3）隨著涂料施工黏度的增大，漆膜的光澤度呈現(xiàn)下降的趨勢。

（4）隨著施工現(xiàn)場溫度的上升，漆膜的光澤度呈現(xiàn)上升的趨勢。

（5）漆膜厚度在30～50 μm，施工黏度在18～22 s時，漆膜的光澤相對穩(wěn)定，波動較小；若飛機不同部位的溫度存在較大差異時，可通過選用揮發(fā)速率適宜的稀釋劑來解決漆膜光澤度不穩(wěn)定的問題。