國產(chǎn)飛機蒙皮底漆工藝適應(yīng)性研究

步明升，汪 威，薛玉華，阮潤琦，張 巖，張 彪，崔少波，劉順崎，劉 超，郭年華

(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)

隨著航空工業(yè)和航空運輸業(yè)的發(fā)展，以及人們對航空安全認(rèn)識的不斷深化，民用航空用化學(xué)品的適航性越來越被重視，現(xiàn)階段歐美國家都有一套完整的評價體系，主要以波音和空客的要求為主[1]。我國現(xiàn)行民航法規(guī)CCAR-53《民用航空用化學(xué)產(chǎn)品適航規(guī)定》中對飛機涂料的原材料和性能要求進(jìn)行了規(guī)定，并要求凡在我國境內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)、分裝、配制、加工等操作的民用航空器用化學(xué)產(chǎn)品，必須按規(guī)定相關(guān)進(jìn)行適航認(rèn)證。

由于飛機活動環(huán)境條件具有一定的特殊性，主要涉及內(nèi)陸、海洋、低空、高空、風(fēng)沙、雨蝕、化學(xué)品侵襲等，其面臨的環(huán)境具有高腐蝕、高濕熱、沖擊、流體、雨蝕、溫度起伏等特點，這就要求蒙皮底漆具有優(yōu)良的附著力、柔韌性、抗沖擊、抗化學(xué)品性能、耐腐蝕性能等，從而滿足民用航空器用涂料的適航要求[1-4]。通常情況下，飛機蒙皮在零件狀態(tài)下已噴有一層國外各類底漆，在整機噴涂時一般需要先將該層底漆細(xì)致打磨并水洗后，在24h內(nèi)整體噴涂一道蒙皮底漆，最后按照要求噴涂面漆和清漆。目前，蒙皮涂料市場被歐美國家壟斷，波音和空客飛機噴漆系統(tǒng)的常用底漆有Akzo 10P20-44、PPG CA7700、Mankiewicz 113-82等，面漆主要有Akzo ECL-G-系列、PPG CA8000、Mankiewicz 411-22等[5-6]，這就要求國產(chǎn)蒙皮底漆除了要滿足我國的適航認(rèn)證要求外，還要具有很好的施工性能，并與國外常用蒙皮底漆和面漆之間具有很好的相容性。

涂層的附著力受環(huán)境因素的影響實際上是不斷變化的，常規(guī)的附著力測試方法都是測試漆膜干膜狀態(tài)下的附著力。Funke在研究涂層防腐性能時提出，除了涂層低透氧率和透水率——屏蔽性之外，濕附著力起著十分重要的作用[7]，這是因為漆膜與介質(zhì)接觸后，其附著力會發(fā)生一系列的變化，這些變化直接關(guān)系到底漆與基材之間的腐蝕以及底漆與面漆之間的層間結(jié)合力，降低涂層的使用壽命。因此，本文主要通過干膜附著力和濕膜附著力的變化，著重從壺裝壽命、基材適用性、固化性能、底漆相容性以及面漆相容性等方面對國產(chǎn)飛機蒙皮底漆進(jìn)行了工藝適應(yīng)性研究，考察其是否滿足現(xiàn)有材料性能和施工性能要求。

1 試驗部分

1.1 主要原料

蒙皮底漆，海洋化工研究院有限公司；10P20-44底漆，阿克蘇諾貝爾；113-82底漆，美凱威奇；CA7700底漆，PPG；面漆，阿克蘇諾貝爾；411-22面漆，美凱威奇；CA8000面漆，PPG。

1.2 主要設(shè)備

重型沖擊儀，1120，德國畢克-加特納公司；鹽霧箱，CC1000XP，英國 ASCOTT 公司；圓錐彎曲試驗儀，BGD 566，標(biāo)格達(dá)精密儀器（廣州）有限公司。

1.3 主要性能測試方法

1.3.1 附著力測試

本實驗選用干膜附著力和濕膜附著力兩種方法一起表征漆膜附著力，附著力的測試方法按照GB/T 9286-2021或ISO 2409：2020進(jìn)行，網(wǎng)格圖形每個方向的切割道數(shù)應(yīng)為6，劃線間距為1mm，劃線及膠帶粘貼方式如圖1所示，一般要求干膜附著力和濕膜附著力不大于等級2，具體測試方法如下。

圖2 漆膜沖擊性能Fig.2 The impact resistance of paint film

圖3 漆膜柔韌性Fig.3 The flexibility of paint film

（1）干膜附著力（D）

將試板按照試驗要求進(jìn)行噴涂并固化，然后按照GB/T 9286-2021或ISO 2409：2020劃線并評級。

（2）濕膜附著力（W）

試板按照試驗要求進(jìn)行噴涂并固化后，將試板在蒸餾水中浸泡7d，按照GB/T 9286-2021或ISO 2409：2020劃線并評級。

1.3.2 沖擊性能

試板在室溫固化7d后，使用Gandner 160 in·lb的重型沖擊測試儀，對試板涂漆面至少進(jìn)行40in·lb的正沖擊和反沖擊，然后將膠帶牢固地向下壓在試板沖擊點處，并以與樣板相垂直的方向快速扯去膠帶，檢查漆膜是否發(fā)生剝落。

1.3.3 柔韌性

試板在室溫固化7d后，按ASTM D522的要求將儀器的操作桿置于水平位置，將試板放入芯軸和拉桿之間，樣板涂漆面朝向拉桿。使樣板的一個短邊與芯軸的細(xì)端相接觸，夾住試板。均勻平穩(wěn)地拉動拉桿使其在1s左右的時間內(nèi)折彎。檢查漆層是否有裂紋、剝落和其他損傷，并在距錐形軸端頭（直徑3.175mm）至少12.7mm區(qū)域測試膠帶附著力，無附著力失效。

1.3.4 鹽霧性能

試板按照試驗要求進(jìn)行噴涂并固化后，在試板上刻兩條對角線，劃痕寬度應(yīng)為0.79～1.59 mm；然后按ASTM B117要求，將試板置于5%的鹽霧中，試板與垂直面成6°±1°，涂漆面朝上；鹽霧1500h后，檢查漆膜表面是否有氣泡和腐蝕現(xiàn)象。

2 結(jié)果與討論

2.1 壺裝壽命研究

一般情況下，涂料的壺裝壽命測試條件為：溫度23±2 ℃，相對濕度50%±2%；蒙皮涂料的最佳施工條件為：溫度20～30 ℃，相對濕度40%～60%。但是，實際施工過程中，溫濕度波動較大，溫度最高可達(dá)35℃，濕度可達(dá)75%，因此，開展蒙皮底漆在不同溫度、不同濕度條件下的壺裝壽命研究，可以為現(xiàn)場施工提供很好的理論基礎(chǔ)。本試驗基材為經(jīng)阿洛丁1200S化學(xué)氧化處理的7075-T6包鋁，試驗步驟為：將新鮮混合的蒙皮底漆分別在23±2 ℃、50%±2%濕度（記為1#）和35±2 ℃、75%±2%濕度（記為2#）兩種條件下放置4h后進(jìn)行空氣噴涂，試片在室溫下干燥7d后進(jìn)行附著力、抗沖擊以及鹽霧性能測試，試驗結(jié)果見表1。

表1 壺裝壽命后不同溫濕度條件下測試結(jié)果Table 1 The results under different temperature and humidity conditions after pot life

蒙皮底漆的主要性能是與基材產(chǎn)生良好的附著力、柔韌性、抗沖擊并具備良好的防腐蝕性能，底漆與基材的附著力是涂層系統(tǒng)獲得其他一切性能的必要條件[8]。經(jīng)過測試，國產(chǎn)飛機蒙皮底漆在兩種溫濕度條件下放置4h后，僅僅在噴涂粘度上有少許差別，漆膜的主要性能穩(wěn)定，未發(fā)生任何變化，具體如圖1～圖4所示。其中，漆膜的干膜附著力和濕膜附著力均達(dá)到0級，未出現(xiàn)任何附著失效的現(xiàn)象；使用加氏重型沖擊試驗儀對漆膜進(jìn)行正沖和反沖試驗，漆膜可承受60in·lb的力，未發(fā)生任何掉漆現(xiàn)象；使用圓錐彎曲試驗儀，漆膜均未出現(xiàn)裂紋和附著力損失；同時，該底漆經(jīng)1500h中性鹽霧后，漆膜未見起泡，距劃痕3.85mm外無腐蝕和附著力損失。綜上所述，國產(chǎn)飛機蒙皮底漆在高溫高濕條件下（溫度35℃、濕度75%）經(jīng)過4h壺裝壽命后再噴涂，產(chǎn)品的性能與常溫（溫度23℃、濕度50%）穩(wěn)定一致，可以很好地適應(yīng)施工現(xiàn)場不同溫濕度下的壺裝壽命要求。

圖4 漆膜附著力Fig. 4 The adhesion of paint film

2.2 基材適用性研究

基材的種類及處理方式直接影響蒙皮底漆在基材上的附著力，因此有必要考察蒙皮底漆在不同基材以及基材處理方式上的適用性?，F(xiàn)代民用飛機蒙皮材料絕大部分采用2024-T3和7075-T6有包覆層鋁合金[1]，而飛機蒙皮表面處理技術(shù)中，常見的基材處理方式主要有：阿洛丁1200S化學(xué)氧化、硼硫酸陽極化、硫酸陽極化、鉻酸陽極化、溶膠凝膠等[9-11]。因此，本試驗設(shè)計如下：將2024-T3包鋁、7075-T6包鋁兩種基材分別使用不同的處理方法，再噴涂國產(chǎn)飛機蒙皮底漆，室溫干燥7d后，進(jìn)行干膜附著力和濕膜附著力的測試，以驗證該底漆在不同基材上的適用性，具體基材處理方式及測試結(jié)果見表2。

表2 不同基材上的附著力Table 2 The adhesion on different substrates

從表2中可以看出，不管是2024-T3包鋁基材還是7075-T6包鋁基材，分別使用阿洛丁1200S化學(xué)氧化、硫酸陽極化、硼硫酸陽極化、鉻酸陽極化、溶膠凝膠等5種基材處理方式進(jìn)行處理后，再施工國產(chǎn)飛機蒙皮底漆，漆膜的干膜附著力和濕膜附著力均為0級，未發(fā)生任何起泡、脫落等不良現(xiàn)象，表現(xiàn)出很好的基材適用性，具有良好的應(yīng)用前景。

2.3 固化性能研究

涂料不同溫度下的固化性能，直接影響到現(xiàn)場施工工藝以及工人的工作效率和工作質(zhì)量。一般情況下，蒙皮涂料施工過程中，除了最后一道清漆之外，每道漆膜都要打磨，以保證漆膜之間有足夠的結(jié)合力。本試驗設(shè)計在10、23、35 ℃三種溫度下考察蒙皮底漆固化性能，主要包括不同溫度條件下試板的表干時間、可打磨時間、可膠帶遮蔽時間，試驗的基材仍然為經(jīng)阿洛丁1200S化學(xué)氧化處理的7075-T6包鋁。具體測試方法如下。

表干時間：漆膜干燥一定時間后，將棉花從25cm左右的高度墜落到涂層表面，用嘴輕吹，記下棉花可吹走的最早時間，即為表干時間。

可打磨時間：漆膜干燥一定時間后，用240目細(xì)砂紙進(jìn)行打磨，觀察漆膜表面是否干爽并呈現(xiàn)粉末狀，若不是，則每隔1h繼續(xù)打磨，直至打磨呈現(xiàn)粉末狀的時間。

可膠帶遮蔽時間：噴涂底漆干燥2h后，將250號3M膠帶緊緊貼在漆膜表面，每隔1h粘貼一次，膠帶停留16～24 h后再撕掉，漆膜表面沒有掉漆或污染現(xiàn)象的最短時間。

從表3中可以看出，國產(chǎn)飛機蒙皮底漆在10～35 ℃下，隨著固化溫度的升高，漆膜的表干時間、可打磨時間、可膠帶遮蔽時間均得到了一定的提升，表干時間從2h提高至40min，可打磨性時間從16h提高到8h，可膠帶遮蔽時間從5h提高到2h。施工現(xiàn)場一般要求蒙皮底漆的表干時間不高于2h，可打磨時間不高于18h，可膠帶遮蔽時間不高于8h，因此，國產(chǎn)飛機蒙皮底漆在10～35 ℃下表現(xiàn)出來的固化性能，可以很好地滿足現(xiàn)場施工需求。

表3 不同溫度條件下的固化性能Table 3 The curing properties under different temperature conditions

2.4 與國外常用蒙皮底漆、面漆的相容性研究

涂料的相容性是指各個涂層之間的適應(yīng)性，如何充分利用涂料體系的整體協(xié)同作用，對涂裝來說至關(guān)重要。對涂料相容性的判定，是涂裝體系配套設(shè)計的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上才能最大限度地發(fā)揮涂膜性能。本試驗設(shè)計了國產(chǎn)飛機蒙皮底漆與Akzo、PPG、Mankiewicz等廠商生產(chǎn)的常見蒙皮底漆和面漆的相容性，試驗基材仍為經(jīng)阿洛丁1200S化學(xué)氧化處理的7075-T6包鋁，試板室溫干燥7d后進(jìn)行測試，通過漆膜的干膜附著力和濕膜附著力的評級來判斷該底漆與國外蒙皮底漆、面漆之間的相容性。由于施工工藝的不同，底漆相容性試驗僅測試完全固化再打磨后的漆膜相容性，面漆相容性還補充了國產(chǎn)飛機蒙皮底漆與國外面漆不同噴涂間隔的相容性試驗，具體試片制作過程及測試結(jié)果分別見表4和表5。

表4 與不同底漆的相容性Table 4 The compatibility with different primers

表5 與不同面漆的相容性Table 5 The compatibility with different topcoats

從表4和表5（10組～12組）中可以看出，三種國外底漆在自干7d后，經(jīng)細(xì)致打磨再噴涂國產(chǎn)飛機蒙皮底漆，漆膜的附著力均為0級；同樣，國產(chǎn)飛機蒙皮底漆在自干7d后，經(jīng)細(xì)致打磨再噴3種國外面漆，漆膜的附著力也均為0級，這說明國產(chǎn)飛機蒙皮底漆與上述國外底漆和面漆，經(jīng)打磨后的層間結(jié)合力未發(fā)生損失，滿足現(xiàn)場施工需求，具有很好的相容性。

同時，從表5（1組～9組）中可以發(fā)現(xiàn)：噴涂間隔為24h時，國產(chǎn)飛機蒙皮底漆與三種國外的附著力均為0級；噴涂間隔為48h時，與411-22的干膜附著力和濕膜附著力均降為1級，其余附著力均為0級；噴涂間隔為72h時，除了與ECL-G-1622面漆的干附著力之外，國產(chǎn)飛機蒙皮底漆與三種國外的附著力出現(xiàn)了不同程度的損失，其中411-22面漆的濕膜附著力只有2級。盡管以上結(jié)果均不大于指標(biāo)要求的2級，但是為了最大限度地發(fā)揮國產(chǎn)飛機蒙皮底漆與國外面漆的結(jié)合力，建議將國產(chǎn)飛機蒙皮底漆與411-22面漆的最大噴涂間隔時間定為24h，與ECL-G-1622面漆、CA8000面漆的最大噴涂間隔時間定為48h，這樣可以在一定程度上延長涂層的使用壽命。

3 結(jié)論

經(jīng)過驗證，國產(chǎn)飛機蒙皮底漆在壺裝壽命、基材適用性、固化性能、底漆相容性和面漆相容性等方面測試性能穩(wěn)定，該涂料對施工環(huán)境具有很好的適應(yīng)性，能夠滿足現(xiàn)有民機材料施工要求，試驗結(jié)果可以為實際應(yīng)用提供施工技術(shù)指導(dǎo)，具有重要的工程實踐意義。