飛機(jī)用環(huán)保型防滑涂料的制備及性能研究

左娟娟，姜秀杰，白 楊，冷曉飛，陳從棕

(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)

防滑涂料作為一種表面處理功能性材料，能夠改進(jìn)基材表面的摩擦性，減少基材表面人員、車輛和其他物體的滑動性，避免人員受傷及財產(chǎn)損失，并提高踩踏舒適性［1-2］。防滑涂料主要由成膜物質(zhì)、溶劑、顏料、填料以及助劑組成，但不同于一般涂料，其中加入了起到防滑作用的耐磨顆粒［3］。

在國外，防滑涂料主要應(yīng)用于飛機(jī)的內(nèi)部走道、上機(jī)翼緊急逃生通道、貨艙地板等部位，使用范圍僅次于蒙皮涂料及通用底漆［4］，且已經(jīng)形成成熟的產(chǎn)品，如PPG、AKzoNobel、Sherwin-Williams、Chemsol等公司的飛機(jī)防滑涂料產(chǎn)品，有單組分、雙組分、三組分等類型，涵蓋醇酸、環(huán)氧、聚氨酯等樹脂體系。

目前，國內(nèi)防滑涂料大多應(yīng)用于船舶［5］，尤其是甲板上會大量使用防滑涂料，在航空領(lǐng)域內(nèi)使用需求不強(qiáng)，研究和應(yīng)用基本屬于空白［6］。飛機(jī)防滑涂料在使用過程中可能面臨氣流沖刷、基材形變、溫度驟變、液壓油滲漏等惡劣環(huán)境，易導(dǎo)致涂層出現(xiàn)漆膜開裂、防滑顆粒脫落等問題。為了解決以上問題，本實驗研制了一種環(huán)保型飛機(jī)防滑涂料，該涂料以無機(jī)有機(jī)混制的輕質(zhì)型砂為防滑顆粒，不僅具有較低的涂層面密度，可有效減輕機(jī)體負(fù)重進(jìn)而節(jié)約燃料費用，還具有優(yōu)異的防滑性、耐磨性、耐介質(zhì)性以及環(huán)保性。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

丙烯酸樹脂（工業(yè)品，東莞）；聚酯樹脂（工業(yè)品，上海）；脂肪族異氰酸酯固化劑（工業(yè)品，煙臺）；鈦白粉（工業(yè)品，杜邦）；阻燃劑（工業(yè)品，云南）；助劑（工業(yè)品，江蘇）；稀釋劑（工業(yè)品，江蘇、湖南）；防滑顆粒（工業(yè)品，江蘇）。

1.2 主要儀器設(shè)備

掃描電子顯微鏡：TM3030Plus，日本日立公司；磨耗儀：Taber5155，美國Taber公司；高低溫恒溫試驗箱：WD701，上海增達(dá)環(huán)境試驗設(shè)備有限公司；摩擦系數(shù)測試儀：MXD-02，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司；鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9075A，上海一恒科技有限公司；高速分散機(jī)：MASTERMIX，耐馳（上海）機(jī)械儀器有限公司；砂磨機(jī)：LMZ-0.5，耐馳（上海）機(jī)械儀器有限公司。

1.3 實驗過程

1.3.1 防滑涂料的制備

防滑涂料由A、B、C三組分組成，其中，A組分為丙烯酸樹脂和聚酯樹脂與顏填料、助劑等的混合物，配方見表1；B組分為脂肪族異氰酸酯固化劑；C組分為無機(jī)、有機(jī)材料混制的型砂。

表1 防滑涂料A組分配方Table 1 Formulation of anti-slip coating A component

A組分的制備過程：在干凈的調(diào)漆罐內(nèi)，將丙烯酸樹脂和聚酯樹脂進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁缓笠来渭尤胗|變劑、顏料、填料、阻燃劑、抗氧劑、分散劑等助劑和部分稀釋劑。在高速攪拌分散機(jī)上預(yù)分散20~30 min后，用耐馳棒銷式砂磨機(jī)研磨至細(xì)度小于40μm，加入其他剩余物料，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，調(diào)整不揮發(fā)物含量在60%~65%，過濾即為A組分。

1.3.2 基材處理及試板制備

基材處理：本實驗選用的試板為2024-T3鋁板，首先對鋁板進(jìn)行堿洗、酸洗，除去鋁板表面油污及氧化皮，然后用阿洛丁1200S對其表面進(jìn)行氧化處理，最后在低于54℃的環(huán)境下烘干即可，基材尺寸要求見表2。

表2 基材尺寸Table 2 Substrate size

試板制備：在涂覆防滑涂料之前，需要在試板上先涂覆一道防腐蝕環(huán)氧底漆，底漆干膜厚度為15~25 μm，底漆固化6~24 h后再涂覆防滑涂層。防滑涂料可采用刷涂、輥涂、噴涂的施工方式，本實驗采用大口徑噴槍進(jìn)行有氣噴涂，噴槍口徑2~3 mm，工作壓力0.6~0.8 MPa。防滑涂料涂裝前將基料A組分充分?jǐn)嚢杈鶆?，按A、B、C組分質(zhì)量比7：1：1混合，攪拌均勻后施工，單道干膜厚度60~120 μm，表干后可涂裝下一道，共涂裝2~3道，至干膜厚度150~250 μm。

1.4 涂層性能測試方法

1.4.1 滑動摩擦系數(shù)測試

按照GB/T 10006-2021要求測試防滑涂層和橡膠表面在干、水、油狀態(tài)下的滑動摩擦系數(shù)，采用MXD-02摩擦系數(shù)測試儀進(jìn)行測試，重點考察水、油等介質(zhì)類型及防滑顆粒的添加量對涂層滑動摩擦系數(shù)的影響。

1.4.2 耐磨性測試

按照ASTM D4060-19規(guī)定采用Taber磨耗儀測定涂層的耐磨性。使用CS-10號橡膠砂輪，配重1 kg。本實驗的耐磨性以經(jīng)過5000r的摩擦循環(huán)后漆膜的質(zhì)量損耗來表示。

1.4.3 耐介質(zhì)性測試

按照GB/T 9274-1988要求，測試漆膜的耐介質(zhì)性能，介質(zhì)主要有RP-3航空煤油和15號航空液壓油，觀察漆膜狀態(tài)以及鉛筆硬度變化情況。

1.4.4 耐高低溫性

按照ASTM D522-17要求測試漆膜的耐高低溫性，將試驗樣板分別放于-51℃和93℃條件下30min后，在同等溫度條件下的5cm直徑軸上進(jìn)行180°彎曲試驗，漆膜應(yīng)無裂紋、無脫落、附著力損失或其它漆膜缺陷。

1.4.5 VOC的測定

參考美國EPA Method 24，揮發(fā)物含量的測定方法依據(jù)ASTM D2369-20，水含量的測定方法依據(jù)ASTM D3792-16，豁免化合物的測定方法依據(jù)ASTM D4457-14。VOC的計算方法按照ASTM D3960-05。

1.4.6 顯微組織

采用TM3030Plus型掃描電子顯微鏡觀察涂層表面的微觀形貌特征。圖1為加入10%防滑顆粒制備得到的防滑涂層表面微觀形貌。從圖1中可以看出，涂層雖有防滑顆粒造成的粗糙紋理，但涂層表面相對平整光滑。

圖1 防滑涂層表面的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM images of the non-skid coating

2 結(jié)果與討論

2.1 樹脂的篩選

樹脂是防滑涂料的核心，對防滑涂料的性能有重大影響，針對飛機(jī)在使用過程中可能出現(xiàn)的防滑涂層漆膜開裂、防滑顆粒脫落等問題，本實驗在設(shè)計配方時選用耐候性好的丙烯酸樹脂作為主體樹脂，輔以一定比例的聚酯樹脂，適當(dāng)提高樹脂體系的交聯(lián)密度，滿足防滑涂層強(qiáng)度、柔韌性、耐磨性與耐液壓油性能的平衡。主要考察了不同樹脂類型對漆膜性能的影響，具體結(jié)果見表3。

表3 不同樹脂對漆膜性能的影響Table 3 The influence of different resins on the performance of paint film

從表3的性能對比結(jié)果可以看出，丙烯酸樹脂A具有較高的硬度，柔韌性略差，聚酯樹脂B和C具有較好的柔韌性和耐磨性，但聚酯樹脂C的耐介質(zhì)性能略差，干燥時間過長。因此最佳樹脂體系選用丙烯酸樹脂A與聚酯樹脂B按照6:4的比例進(jìn)行混拼，得到的漆膜具有優(yōu)異的耐候性、柔韌性、耐磨性、耐介質(zhì)性和耐高低溫性。

2.2 防滑顆粒的篩選

防滑涂料的防滑效果主要是通過防滑顆粒來實現(xiàn)的，防滑顆粒能顯著增大防滑涂料的摩擦性能，提高其耐磨性，延長涂料的使用壽命［7］。目前防滑涂料選用的防滑粒料大部分是無機(jī)物，如金剛砂、石英砂等，這些防滑粒料硬度高、密度大，易劃傷機(jī)體，不能滿足飛機(jī)上的防滑要求。因此，本實驗要優(yōu)選出一種具有高耐磨、高防滑性的輕質(zhì)防滑粒料，既要滿足干、濕、油態(tài)下高摩擦系數(shù)的要求，又要與所選樹脂具有良好的配套性，著重考察了防滑顆粒種類、粒徑以及添加量對體系性能的影響，表4是選用的防滑顆粒性能對比。

表4 防滑顆粒性能對比Table 4 Non-skid particle performance comparison

從表4可以看出，選用性能最優(yōu)的型砂作為防滑顆粒，不僅防滑涂層的耐磨性、防滑性、耐介質(zhì)性等理化性能滿足要求，且具有較好的施工性能，可進(jìn)行噴涂施工。篩選了一種改性的無機(jī)、有機(jī)混制型砂作為防滑顆粒，該型砂具有低密度、高耐磨性、優(yōu)異的阻燃性等特性，與防滑涂料樹脂體系相容性好，與涂層有較強(qiáng)的結(jié)合力，不易從涂膜中脫落；因其較低的密度，施工時顆粒不易沉降，施工后的涂層質(zhì)地更加均勻，涂層面密度低，有效降低了機(jī)體負(fù)重。

同時，本實驗還研究了防滑顆粒粒徑對防滑涂層滑動摩擦系數(shù)的影響，實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 防滑顆粒粒徑大小對涂層滑動摩擦系數(shù)的影響Fig.2 The influence of the size of the non-skid particles on the sliding friction coefficient of the coating

由于防滑顆粒粒徑過大，噴涂施工過程中易堵塞噴槍，施工后涂層中防滑顆粒分布不均勻，因此，本實驗只對粒徑在96~380 μm的防滑顆粒進(jìn)行了對比試驗。由圖2可以看出，隨著防滑顆粒粒徑的減小，涂層滑動摩擦系數(shù)也逐漸降低，因此，本實驗選用150~180 μm的防滑顆粒，以滿足平滑型防滑涂料對滑動摩擦系數(shù)的要求。

同時，本實驗還研究了防滑顆粒的添加量對防滑涂層滑動摩擦系數(shù)的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 防滑顆粒添加量對滑動摩擦系數(shù)的影響Fig.3 Influence of content of non-skid particles on the sliding friction coefficient

由圖3可以看出，隨著防滑顆粒加入量的不斷增大，涂層的滑動摩擦系數(shù)先是急劇增大，隨后增長平緩，在防滑顆粒加入量大于5%后，其加入量對涂層滑動摩擦系數(shù)的影響不明顯，防滑顆粒加入量小于10%的涂層防滑顆粒過于稀疏，表面狀態(tài)較差，綜合考慮防滑顆粒對防滑涂料施工、涂層表面狀態(tài)等的影響，確定防滑顆粒的加入量為10%。

2.3 無毒或低毒溶劑的選擇

溶劑對涂料的粘度、潤濕性、附著力均有一定的調(diào)節(jié)作用［8］。但是，在施工過程中，這些釋放出的溶劑是破壞環(huán)境和危害人體健康的主要因素，因此，低毒或無毒、對環(huán)境污染少的綠色環(huán)保涂料已經(jīng)成為研究的重點。

豁免溶劑不參加大氣光化學(xué)反應(yīng)，對環(huán)境和人體不構(gòu)成危害，用豁免溶劑替代傳統(tǒng)的有毒有害溶劑，在不影響產(chǎn)品性能的同時兼顧了環(huán)保的要求，是目前降低溶劑型涂料VOC切實有效的方法［9］。醋酸叔丁酯（TBAC）作為一種低毒性溶劑，被美國國家環(huán)保局（EPA）列為免除受限制的揮發(fā)性溶劑和非有害空氣污染物，它具有獨特的分子結(jié)構(gòu)，空間位阻大，與其它溶劑混合使用可大大改善溶劑的相溶性能。同時，作為環(huán)境友好型溶劑，可以替代甲苯、二甲苯、酮類和碳?xì)浠衔锏?，目前已廣泛應(yīng)用于涂料領(lǐng)域。因此，本實驗著重考察了防滑涂料體系中TBAC與PMA混合比例對VOC的影響，具體數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 TBAC與PMA混合比例對體系VOC的影響Fig.4 The influence of the mixing ratio of TBAC and PMA on the VOC of the system

通過試驗對比發(fā)現(xiàn)，隨著TBAC含量的增加，體系的VOC逐漸降低，但經(jīng)濟(jì)成本也隨之增加，因此，在兼顧經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和施工的原則下，本實驗選擇的TBAC與PMA混合比例為1：2，此時體系的VOC為402g/L，滿足VOC<420g/L指標(biāo)要求，并且此條件下施工狀態(tài)良好，漆膜表面未見不良缺陷。

3 結(jié)論

（1）選擇丙烯酸樹脂和聚氨酯樹脂按照6：4比例混拼的樹脂體系，采用脂肪族異氰酸酯固化劑進(jìn)行固化，實現(xiàn)防滑涂層強(qiáng)度與柔韌性的平衡。

（2）通過添加10%的150~180 μm改性型砂，可以顯著提高涂層的摩擦性，滿足飛機(jī)防滑涂料對動摩擦系數(shù)的要求。

（3）選擇醋酸叔丁酯作為體系中豁免溶劑，可以有效降低VOC含量，當(dāng)醋酸叔丁酯與PMA比例為1：2時，體系VOC為402g/L，此時，漆膜狀態(tài)良好，既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。