蟲膠清理技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展及在直升機(jī)上的應(yīng)用

張昕宇，徐 璐，姜國(guó)杰，于 晴，馮晨旭，宋 健

（1.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所標(biāo)準(zhǔn)材料部，江西景德鎮(zhèn) 333001；2.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院表面工程研究所，北京 100095）

大自然的其他生物有著它們特定的活躍時(shí)節(jié)，而人類的生產(chǎn)生活無時(shí)無刻不在進(jìn)行，如何與其他生物和平共處或者消除它們帶來的負(fù)面影響是我們永恒的課題。昆蟲在春夏時(shí)節(jié)活動(dòng)旺盛，且會(huì)分泌大量由桐油酸和蟲膠酸等組成的聚酯混合物-蟲膠，這種混合物不溶于水，易溶于有機(jī)溶劑［1］。昆蟲的活動(dòng)范圍很廣，汽車、列車行駛以及直升機(jī)飛行穿越松林時(shí)，都易遭遇昆蟲并在外表面及玻璃上留下蟲膠，長(zhǎng)時(shí)間的殘留會(huì)使蟲膠老化變硬［2］，難以清除，且對(duì)基體造成一定破壞。在夏季，樹木的分泌也很旺盛，容易產(chǎn)生樹黏液，樹黏液包括樹脂和樹膠，與蟲膠組成成分類似的，作為一種無定形高分子混合物，樹脂同樣不溶于水，黏性大［3］，易溶于有機(jī)溶劑，主要由固態(tài)的樹脂酸和液態(tài)的萜烯類兩部分組成［4］。樹膠的主要成分是多糖類無定形物質(zhì)，屬于高分子復(fù)雜化合物，與水結(jié)合會(huì)形成膠體溶液［5］。

直升機(jī)在臺(tái)海沿岸林地貼地飛行時(shí)，會(huì)有很多昆蟲撞到直升機(jī)迎風(fēng)面及前擋風(fēng)窗玻璃上，形成難以清洗掉的蟲膠。蟲膠在直升機(jī)機(jī)體表面的長(zhǎng)時(shí)間附著，會(huì)殘留難以清除的漬跡。由于這些有機(jī)物質(zhì)呈酸性［6］，因此長(zhǎng)時(shí)間的黏附會(huì)造成直升機(jī)機(jī)體的漆層、玻璃和金屬等材料的腐蝕，影響直升機(jī)的使用。蟲膠與鹽類物質(zhì)的結(jié)合會(huì)使其更加穩(wěn)定［7］，難以分解去除，而直升機(jī)在戶外停放時(shí)大氣中的鹽類物質(zhì)極易與蟲膠發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)其在海洋鹽霧大氣環(huán)境下使用時(shí)，面臨的鹽沉積環(huán)境將更加嚴(yán)酷。因此，蟲膠的長(zhǎng)時(shí)間黏附會(huì)給直升機(jī)帶來嚴(yán)重的腐蝕問題。此外，殘留在直升機(jī)前擋風(fēng)窗玻璃上的漬跡在陽(yáng)光的直射下還會(huì)產(chǎn)生彩色的條紋，造成眩光現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)阻擋飛行員的飛行視線，進(jìn)而影響直升機(jī)飛行的安全［8］。

目前，國(guó)內(nèi)外已開展了基于不同背景不同基體的蟲膠清理技術(shù)的相關(guān)研究，但目前相關(guān)的綜述較少，本文對(duì)各類方法進(jìn)行了整理匯總，以期對(duì)直升機(jī)的蟲膠清理技術(shù)研究和應(yīng)用有一定的啟發(fā)。

1 國(guó)外研究進(jìn)展

強(qiáng)，在去除蟲膠、樹黏液的同時(shí)，還會(huì)對(duì)汽車、直升機(jī)的外表面，尤其是對(duì)漆層造成損傷。針對(duì)以上不足，研究者們提出了通過水基型溶劑以及一些新型技術(shù)去除蟲膠的方式。

通過堿性溶液水解的方式可以改變蟲膠特性，使蟲膠易于溶解［9］，但當(dāng)蟲膠已成為銨鹽則由于在結(jié)合位點(diǎn)的反應(yīng)而受到保護(hù)，不易被破壞［10］。當(dāng)蟲膠吸收到陶瓷織物的多孔基材中，會(huì)在陶瓷中通過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)形成含有金屬雜質(zhì)的有機(jī)金屬絡(luò)合物，造成不可逆轉(zhuǎn)的紫粉色色斑。國(guó)外的研究者探究了使用堿性水溶液將分子水解成水溶性單體、二聚體和游離羧基酸的方式去除多孔基材上的蟲膠［11］。清洗劑的組成為少量乙醇和瓊脂凝膠的混合物，添加NaOH溶液緩沖pH至13.5。該清洗劑組成簡(jiǎn)單且環(huán)保，可以廣泛應(yīng)用于不同基材。這種方式的特點(diǎn)在于不再?gòu)膫鹘y(tǒng)角度出發(fā)使蟲膠的聚酯骨架溶脹變形進(jìn)入溶液被去除，因?yàn)槿芙夥椒ㄈ菀讓?dǎo)致化學(xué)鍵結(jié)合的金屬陽(yáng)離子進(jìn)而產(chǎn)生粉紫色污漬［11］。

除使用溶劑去除蟲膠外，國(guó)外研究者提出了激光去除木制品上的蟲膠的方法［12］。蟲膠在木材中具有良好的滲透性，浸漬木材后，蟲膠會(huì)在木材的內(nèi)在層上堵塞凹坑并硬化［13-15］。運(yùn)用不同的脈沖激光體系進(jìn)行不同持續(xù)時(shí)間的脈沖燒蝕（如表1），研究確定最佳激光參數(shù)。激光蝕刻深度和激光能量密度的函數(shù)曲線如圖1所示，可以看出蟲膠和木材的消融閾值有著顯著差異，蟲膠都是在比木材更低的通量下燒蝕，通量能量的最佳窗口值可以在不傷害木質(zhì)的情況下使用去除蟲膠。研究表明，使用1064 nm的Nd∶YAG激光進(jìn)行持續(xù)10 ns的脈沖燒蝕可以去除蟲膠而不損害木質(zhì)基材，激光去除的技術(shù)可以很好的應(yīng)用于木質(zhì)工藝品的蟲膠清洗，避免了費(fèi)力的機(jī)械方法或者帶來其他風(fēng)險(xiǎn)的溶劑去除蟲膠的方法。

圖1 用1064 nm波長(zhǎng)的Nd∶YAG激光脈沖（脈沖持續(xù)時(shí)間10 ns）照射時(shí)的蟲膠消融率［12］Fig.1 Nd∶YAG laser pulse（pulse duration 10 ns）is irradiated with a 1064 nm wavelength［12］

表1 研究中應(yīng)用的激光體系［12］Tab.1 Laser system used in research［12］

此外，研究表明蟲膠的成分結(jié)構(gòu)比一般的脂肪去除蟲膠傳統(tǒng)常見的方法就是使用有機(jī)溶劑，如醇類、醚類、苯類、石油烴類和脂肪酸類等利用“相似相溶”的原理進(jìn)行清洗。然而，這類去蟲膠清洗液中揮發(fā)性有機(jī)化合物會(huì)對(duì)人的身體造成傷害，也會(huì)污染周圍的環(huán)境。同時(shí)，有些有機(jī)溶劑的溶解性很酸、碳水化合物等物質(zhì)更易水解，因此研究者提出通過酶水解的方式去除蟲膠，這一思路可以作為未來研究的方向［11］。

2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)也開展了相關(guān)的研究，去蟲膠清洗劑主要應(yīng)用于汽車、列車。以往在使用清潔劑清理蟲膠時(shí)經(jīng)常會(huì)帶來各種問題，例如在寒冷氣候條件下使用時(shí)，清洗劑易凍結(jié)影響視野；干燥條件下使用有可能出現(xiàn)靜電現(xiàn)象；潮濕環(huán)境下使用則會(huì)刮干慢，殘留多，容易導(dǎo)致腐蝕。采用傳統(tǒng)的機(jī)械研磨法去除蟲膠時(shí)，研磨劑易出現(xiàn)顆粒分散不均，劃傷玻璃表面的問題。此外，目前大部分研究中清洗劑的配方仍是由普通表面活性劑、醇、醚類溶劑、緩蝕劑和水組成，同樣會(huì)帶來?yè)p害人體健康、污染環(huán)境、腐蝕基體等問題，抑或酸堿性較強(qiáng)，對(duì)玻璃造成侵蝕作用，對(duì)此研究者在研制中對(duì)以上問題提出了各種解決方案。

列車在高速運(yùn)行中其端頭的擋風(fēng)玻璃也會(huì)刮蹭到樹枝、遭遇飛蟲碰撞，表面黏附的樹膠、昆蟲尸體等會(huì)演變成黃斑、銹漬等蟲膠污漬。針對(duì)此類問題，李麗等［16］人研制了一種性能穩(wěn)定、清洗力強(qiáng)的水性清洗劑，在其性能驗(yàn)證中，原本由于蟲膠油污的附著透光率下降到僅71%的擋風(fēng)玻璃，在使用該清洗劑后透光率提升至78%，并在刷洗后達(dá)到了81%，說明其去污能力優(yōu)良。將該清洗劑在H62黃銅、LY12硬鋁、45#鋼表面使用后金屬均無明顯變色，說明其腐蝕性弱。此外，清洗劑無刺激性氣味，降解性達(dá)99.9%，且對(duì)漆膜硬度無影響。

研究人員還制備了一款可以在低溫下使用的汽車玻璃清洗劑［17］，主要用于去除玻璃表面的污物，其陰離子表面活性劑的配合使用可以增強(qiáng)去污能力，添加的緩蝕劑成分用以減弱對(duì)玻璃的腐蝕和劃傷，加入穩(wěn)定劑和消泡劑以穩(wěn)定配方，抑制過多的泡沫產(chǎn)生，通過醇類物質(zhì)的適當(dāng)復(fù)配可以形成保護(hù)層，防止霧滴產(chǎn)生，同時(shí)還能降低冰點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在低溫環(huán)境下完成對(duì)蟲膠的清洗。通過對(duì)汽車強(qiáng)擋風(fēng)玻璃的實(shí)際清洗操作發(fā)現(xiàn)，在清洗前玻璃表面有大量灰塵、鳥糞、油污，清洗后表面無雜點(diǎn)，連續(xù)使用洗滌150次后玻璃表面無腐蝕。由此可見，清洗劑去除表面污物的效果很明顯，且對(duì)玻璃表面無腐蝕作用。

熊竹君等［18］人通過無機(jī)增稠劑與表面活性劑的協(xié)同作用提高研磨劑的分散穩(wěn)定性，降低了研磨顆粒的團(tuán)聚性和對(duì)玻璃的傷害性，研磨劑本身的滾動(dòng)可以有效去除玻璃表面的沉積物、樹膠、蟲膠、鳥糞等頑固污垢，這種清洗劑無揮發(fā)性，安全無害。

侯悖等［19］人另辟蹊徑，采用弱堿性活性酶分解技術(shù)高效去除蟲膠，研制出一款生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單的水基玻璃清洗劑。這種清洗劑添加了生物酶成分，生物降解性高，環(huán)境友好。另外在性能上活性物質(zhì)含量少，通過采用親水滲透技術(shù)來降低蟲膠等殘留物的附著特性，使其更容易被剝離。與傳統(tǒng)玻璃清洗劑相比，該清洗劑還具有撥水特性，當(dāng)汽車、列車等在大雨中行駛時(shí)，該清洗劑可以使落在玻璃面上的雨柱形成負(fù)壓式雨簾飛離玻璃，而不是平鋪在玻璃上遮擋視線，從而保證更高的雨天行駛的視野清晰度和安全性。

直升機(jī)在飛行中也會(huì)遭遇昆蟲撞擊、穿越叢林等環(huán)境，蟲膠殘留帶來的影響視線、腐蝕機(jī)體的問題同樣不可忽視，亟待解決。低表面能材料由于表面能低、污物不易附著的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于疏水/超疏水自清潔涂料［20-23］。本團(tuán)隊(duì)受此啟發(fā)，通過采取主動(dòng)防護(hù)和快速清潔兩種方式相配合達(dá)到直升機(jī)表面的防蟲膠及清潔設(shè)計(jì)的目的。具體研究思路如下。

在直升機(jī)外表面防蚊蟲設(shè)計(jì)方面，通過低表面能防黏附涂料的涂覆，減少液滴與機(jī)體表面的接觸面積及接觸時(shí)間，利于從源頭減少蟲膠的附著。盡管疏水/超疏水表面在防黏附方面效果顯著，但存在用于疏水改性的低表面能物質(zhì)與基材的附著力或黏結(jié)力差［24］，表面粗糙結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、耐久性不好等問題。本團(tuán)隊(duì)考慮先構(gòu)造低表面能表面，然后對(duì)其進(jìn)行粗糙化處理的方式構(gòu)建超疏水表面［25-27］。以端羥基聚烯烴、端羥基聚硅氧烷、氟化胺類固化劑為彈性低表面能基體樹脂材料，通過低表面能偶聯(lián)劑修飾納米粒子，以具有優(yōu)異的錨固作用的反應(yīng)性表面修飾劑作為涂層的錨固材料，構(gòu)筑疏水/超疏水功能表面，即利用彈性低表面能聚氨酯化合物耗散外界機(jī)械損傷［28-32］，在基材表面構(gòu)建微相分離的疏水表面，并借助納米粒子構(gòu)筑粗糙結(jié)構(gòu)，構(gòu)建具有多層次微納結(jié)構(gòu)的超疏水涂層；通過對(duì)成分組成、形貌結(jié)構(gòu)、浸潤(rùn)性、自清潔/易清潔性、穩(wěn)定性、耐久性的分析，探索其構(gòu)效關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，探索和優(yōu)化構(gòu)建疏水/超疏水表面的途徑，以提高性能的穩(wěn)定性和耐久性，為構(gòu)建性能優(yōu)異的防黏附表面奠定基礎(chǔ)。超疏水防黏附涂層示意圖如圖2。

圖2 超疏水防黏附涂層示意圖Fig.2 Schematic diagram of super-hydrophobic anti-adhesion coating

在直升機(jī)外表面蟲膠清潔設(shè)計(jì)方面，在清潔劑需同樣避免使用有機(jī)溶劑型清洗劑的方法，本團(tuán)隊(duì)研制了一種水基型蟲膠的清洗液，并對(duì)不同配比用量多元有機(jī)胺類物質(zhì)、表面活性劑、防銹劑以及助劑的清洗液配方進(jìn)行篩選研究，防銹劑的添加可以減少對(duì)其他材料的腐蝕，從而實(shí)現(xiàn)低腐蝕性堿性溶液對(duì)蟲膠的去除，同時(shí)保證環(huán)境友好和高效清潔。

3 現(xiàn)狀總結(jié)對(duì)比及直升機(jī)應(yīng)用難點(diǎn)分析

通過對(duì)蟲膠清理技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析發(fā)現(xiàn)，有機(jī)溶劑法由于其強(qiáng)揮發(fā)性和破壞性已逐步被淘汰，傳統(tǒng)的機(jī)械法也被改進(jìn)以減小對(duì)基體的損傷，堿性溶液也易帶來基體損傷的問題，水基清洗劑由于其清潔效果優(yōu)、對(duì)基體腐蝕作用小、環(huán)境友好、適用范圍廣等特點(diǎn)成為當(dāng)前去除蟲膠的主要方法，有的清洗劑還具有可在低溫條件下使用的優(yōu)異性能。此外也有研究人員提出激光燒蝕、酶分解、機(jī)械研磨等方式去除蟲膠，這些方法各有優(yōu)勢(shì)，但使用時(shí)會(huì)受基底材料、形狀等特殊情況的限制。此外，疏水超疏水表面的研究也給予研究者一定的啟發(fā)，構(gòu)建這樣的表面可以減少蟲膠的黏附，從源頭避免問題的產(chǎn)生，結(jié)合水基清洗法進(jìn)行清洗，可以大幅優(yōu)化蟲膠的去除效果，且疏水表面還可以防止其他物質(zhì)的附著提升玻璃及其他表面的清潔度。表2中具體列出了各種蟲膠清洗技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。

從表2看來，對(duì)于直升機(jī)表面的蟲膠清理，采取低表面能材料主動(dòng)防護(hù)和水基清洗液快速清潔配合的方式是改善蟲膠在直升機(jī)表面黏附問題的最佳解決途徑，低表面能材料可以從主動(dòng)防護(hù)的角度盡量減少蟲膠的附著，盡量保證直升機(jī)飛行中風(fēng)擋玻璃及腐蝕敏感部位的潔凈，也減輕后續(xù)維護(hù)清理的工作量。水基清洗液可以在仍有少量蟲膠黏附時(shí)以噴淋和刷洗的方式快速去除污物，保證表面清潔干凈。

表2 各種蟲膠清洗技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍Tab.2 Advantages and disadvantages and scope of washing technology

然而，在實(shí)際應(yīng)用中還有很多難點(diǎn)亟待解決。相比其他蟲膠黏附，直升機(jī)的蟲膠黏附需要注意：第一，直升機(jī)在其整個(gè)生命周期中面臨環(huán)境的復(fù)雜性。當(dāng)直升機(jī)在經(jīng)歷高溫高濕、鹽霧、砂塵、雨水等腐蝕誘因環(huán)境時(shí)，這些環(huán)境因素可能會(huì)引起所黏附蟲膠理化性質(zhì)的變化，加劇腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。此外，還可能導(dǎo)致低表面能材料性能變化、清洗液失效等問題，甚至在環(huán)境作用下帶來新的腐蝕現(xiàn)象。當(dāng)直升機(jī)面臨高溫/高寒環(huán)境時(shí)，低表面能材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及與基底的結(jié)合強(qiáng)度等將面臨考驗(yàn)，清洗劑中有機(jī)物的化學(xué)鍵可能會(huì)發(fā)生斷裂。此外，高寒環(huán)境下清洗劑較難徹底去除，有可能殘留在機(jī)體表面，也會(huì)導(dǎo)致機(jī)體的腐蝕。第二，直升機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及的材料種類繁多。在低空飛行時(shí)直升機(jī)機(jī)身蒙皮、風(fēng)擋玻璃、雷達(dá)/天線罩、槳轂等處都容易有蟲膠附著，而機(jī)頭、雷達(dá)罩等曲面結(jié)構(gòu)的高曲率特征以及槳轂結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，會(huì)增加低表面能材料涂覆的工藝難度以及清洗工作的困難。此外這些部位選用了多種材料和漆層，包括碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料、玻璃表面的有機(jī)聚合物保護(hù)涂層、橡膠件等，低表面能材料的涂覆以及清洗劑的研制需考慮不同材料的適用性。以上情況為直升機(jī)的蟲膠清理技術(shù)研究帶來了難點(diǎn)，在研究工作中需要重點(diǎn)考慮。

4 總結(jié)和展望

綜上，傳統(tǒng)去除蟲膠的有機(jī)溶劑法、機(jī)械法已逐步被淘汰，在眾多新興方法中，水基清洗液以其性能溫和穩(wěn)定、安全無害、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)成為首選方法。同時(shí)，納米材料的發(fā)展和疏水/超疏水表面的興起，也給防止蟲膠黏附提供了新的思路，目前在海洋防污涂料、建筑自清潔表面等領(lǐng)域已開展了相關(guān)研究，利用主動(dòng)防護(hù)和清洗液清潔兩相配合的思路將是今后蟲膠防護(hù)清理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。目前水基清洗劑很大程度上減少了原先的揮發(fā)性和有害性有機(jī)物成分，也盡量降低了清洗對(duì)基底的損傷，但尚未充分考慮對(duì)貯存和使用環(huán)境的適應(yīng)性，對(duì)基材的腐蝕影響驗(yàn)證方面，目前僅對(duì)部分材料進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，不夠全面，驗(yàn)證方式也較為簡(jiǎn)單，僅在常溫大氣環(huán)境下進(jìn)行。對(duì)于低表面能材料，需改善其與基材的附著力、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等，以獲得更加優(yōu)異耐久的涂層，進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與調(diào)控、工藝改進(jìn)來提高其對(duì)各類使用環(huán)境的適應(yīng)能力以及在不同材料、形狀基底的適用性。例如需考慮投入到直升機(jī)使用后面臨直升機(jī)停放、起飛、飛行、維護(hù)等狀態(tài)的特殊復(fù)雜環(huán)境，在多種氣候環(huán)境和易腐蝕環(huán)境的綜合效應(yīng)下低表面能材料、清洗劑會(huì)否失效、是否會(huì)導(dǎo)致新的腐蝕反應(yīng)發(fā)生，能否在各種材料、各類形狀表面正常使用，穩(wěn)定性和耐久性如何等問題。