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砂磨機(jī)對(duì)高固體分飛機(jī)蒙皮涂料的影響

摘要：以高固體分飛機(jī)蒙皮涂料為研究對(duì)象，討論了異氰酸酯固化劑類型、-NCO/-OH摩爾比、鈦白粉類型、顏基比、環(huán)保型催干劑和助劑對(duì)涂料性能的影響，并通過(guò)助劑改善高固體分飛機(jī)蒙皮涂料的施工性。所研制的高固體分飛機(jī)蒙皮涂料滿足波音材料規(guī)范的技術(shù)要求，是一種符合環(huán)保發(fā)展趨勢(shì)，且性能優(yōu)良的飛機(jī)保護(hù)和裝飾涂料。

    關(guān)鍵詞：高固體分涂料；飛機(jī)蒙皮涂料；波音材料規(guī)范

    0引言

    環(huán)境友好型航空涂料主要有3大類：不含鉛、鉻等重金屬的防腐蝕涂料，高固體分或低VOC涂料（VOC含量≤420g/L），以及水性涂料。國(guó)外環(huán)境友好型航空涂料的研究始于20世紀(jì)60年代，目前已經(jīng)達(dá)到了在波音、空客等大型飛機(jī)中廣泛應(yīng)用的程度。例如波音737、747、757、767系列飛機(jī)的機(jī)翼及機(jī)身外表面多處使用了高固體分的BMS10-60TypeⅡ白色面漆，其VOC含量≤420g/L。與之配套的黃色底漆BMS10-79TypeⅢClassD，VOC含量≤350g/L，均達(dá)到了高固體分涂料的要求。目前世界上最大的飛機(jī)A380機(jī)身和尾翼采用了PPG公司生產(chǎn)的DesothaneHSCA8000高固體分聚氨酯磁漆。該磁漆的體積固體分為55%，遠(yuǎn)高于普通磁漆30%的體積固體分。除此之外，波音7×7系列使用的是AkzoNobel公司生產(chǎn)的輕質(zhì)無(wú)鉻AVIOXCF底漆和Aeroflex柔性聚氨酯磁漆。在國(guó)外，高固體分涂料在大型客機(jī)上的應(yīng)用已非常普遍。本文選擇聚酯聚氨酯涂料作為研究對(duì)象，以波音公司的先進(jìn)航空材料規(guī)范作為研發(fā)依據(jù)，研制高固體分飛機(jī)蒙皮涂料。

    1實(shí)驗(yàn)部分

    1.1原材料

    聚酯樹(shù)脂，異氰酸酯固化劑，鈦白粉、各種溶劑以及助劑。

    1.2配方及生產(chǎn)工藝

    1.2.1基本配方

    飛機(jī)蒙皮涂料基本配方見(jiàn)表1。

表1 飛機(jī)蒙皮涂料基本配方

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    1.2.2生產(chǎn)工藝

    （1）按照配方在干凈調(diào)漆缸內(nèi)，分別投入聚酯樹(shù)脂及混合溶劑；啟動(dòng)攪拌器，低速攪拌下，分別加入鈦白粉及助劑，高速攪拌30min后，停止攪拌，啟動(dòng)砂磨機(jī)進(jìn)行研磨，細(xì)度達(dá)到10μm以下時(shí)，用200目絹絲布過(guò)濾，出料。

    （2）將上述所得的色漆料和異氰酸酯固化劑以2∶1的比例混合，即制得高固體分飛機(jī)蒙皮涂料。

    1.3性能測(cè)試

    高固體分飛機(jī)蒙皮涂料的性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

    2結(jié)果和討論

    本文所研制的高固體分飛機(jī)蒙皮涂料是雙組分聚氨酯類型，其中樹(shù)脂基料為自主合成，下面重點(diǎn)討論固化劑、顏料以及催化劑的選擇。

表2 高固體分飛機(jī)蒙皮涂料性能測(cè)試結(jié)果
2.1多異氰酸酯預(yù)聚物固化劑類型的影響

    常用的多異氰酸酯預(yù)聚物固化劑為TDI（甲苯二異氰酸酯）、HDI（六亞甲基二異氰酸酯）縮二脲多異氰酸酯、HDI三聚體多異氰酸酯以及IPDI（異佛爾酮二異氰酸酯）三聚體多異氰酸酯，其具體結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖1。

圖1 各種異氰酸酯的結(jié)構(gòu)式

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    選用多異氰酸酯預(yù)聚物L(fēng)75（TDI加成物），N75（HDI縮二脲多異氰酸酯）以及N3390（HDI三聚體多異氰酸酯）與自制樹(shù)脂制成清漆，進(jìn)行性能測(cè)試。圖2為不同多異氰酸酯預(yù)聚物固化劑對(duì)漆膜耐候性的影響；表3為多異氰酸酯預(yù)聚物固化劑的種類對(duì)漆膜耐液壓油性和抗沖擊性的影響。從圖2可知：HDI固化劑所配制清漆的耐候性最佳。這是因?yàn)門DI結(jié)構(gòu)中的苯環(huán)（見(jiàn)圖1）具有共軛效應(yīng)，因此氨酯鍵氧化斷裂形成偶氮結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致漆膜耐候性差。雖然HDI也有相同的氨酯鍵結(jié)構(gòu)，但其斷鏈所生成的胺不是直接接在苯環(huán)上，而被旁邊的甲基隔斷（見(jiàn)圖1），這樣就難以形成偶氮或醌式結(jié)構(gòu)，因此相對(duì)TDI具有更優(yōu)良的耐候性。此外，從表3可知：TDI固化劑所配制漆膜的抗沖擊性最差，這是由于TDI中的剛性苯環(huán)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致漆膜的柔韌性相對(duì)較差。

圖2 不同異氰酸酯預(yù)聚物對(duì)漆膜耐候性的影響

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表3 多異氰酸酯預(yù)聚物的種類對(duì)漆膜性能的影響

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    此外，HDI三聚體的環(huán)狀結(jié)構(gòu)上沒(méi)有活潑氫原子，不會(huì)形成分子內(nèi)或分子間氫鍵，因而產(chǎn)物黏度低，易制成高固體分涂料；而縮二脲分子間含有氫鍵，互相吸引，長(zhǎng)期貯存容易使黏度增高。本文所研究對(duì)象為高固體分飛機(jī)蒙皮涂料，因此最后確定使用HDI三聚體（N3390）作為固化劑。

    2.2-NCO/-OH摩爾比的影響

    高固體分涂料中的聚合物相對(duì)分子質(zhì)量較低，交聯(lián)成膜需要更多的基團(tuán)參與反應(yīng)，才能達(dá)到預(yù)期的相對(duì)分子質(zhì)量。-NCO/-OH的比例影響涂層的交聯(lián)密度，涂層交聯(lián)密度過(guò)高或過(guò)低，都將不利于分子鏈的擴(kuò)散，因此，需要設(shè)計(jì)合適的-NCO/-OH摩爾比來(lái)滿足高固體分飛機(jī)蒙皮涂料所要達(dá)到的性能。按照-NCO/-OH不同比例配漆，制成樣板，檢測(cè)漆膜性能，結(jié)果如表4所示。

表4 -NCO/-OH摩爾比對(duì)漆膜性能的影響

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    由表4可見(jiàn)：隨著-NCO/-OH摩爾比增大，漆膜的抗沖擊性逐步下降，但是其耐液壓油性卻逐步上升，漆膜的硬度也隨之增大。這是因?yàn)椋弘S著-NCO/-OH摩爾比的增大，漆膜中生成的硬段——氨基甲酸酯基也隨之增加，不但如此，同時(shí)它的氫鍵含量也隨之增加，這樣既提高了漆膜的交聯(lián)密度，又增大了漆膜的硬度。除此之外，因?yàn)槲捶磻?yīng)的-NCO基團(tuán)數(shù)量不斷增加，-NCO會(huì)與其他含活潑H的基團(tuán)（例如空氣中的水）反應(yīng)，產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合力，這些也會(huì)提高漆膜的耐化學(xué)品性。參考所要達(dá)到的波音技術(shù)指標(biāo)要求，選擇-NCO/-OH摩爾比為1.1~1.15。
2.3催化劑的影響

    聚氨酯涂料所用的催化劑不僅影響漆膜的固化速度，而且對(duì)漆膜的性能也有一定影響。目前常用的催化劑為有機(jī)胺類、有機(jī)錫類和有機(jī)金屬鹽類，而有機(jī)錫類催化劑由于它的毒性，在歐洲已被列為禁用產(chǎn)品，因此需要用非錫類催化劑來(lái)替代。表5列出了DBTDL（二月桂酸二丁錫）和K-KAT催化劑（鉍羧酸酯與鋁鉻合物）對(duì)涂料適用期、表干時(shí)間以及鉛筆硬度的影響。

表5 不同類型催化劑對(duì)漆膜性能的影響

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    如表5所示：使用K-KAT催化劑在表干速度上與有機(jī)錫催化劑相似，但是大大提高了適用期。這是因?yàn)椋篕-KAT催化劑的鉍化合物部分與錫化合物相同，對(duì)異氰酸酯與醇類的反應(yīng)有特別高的活性，能降低與水反應(yīng)的選擇性，促進(jìn)-NCO/-OH反應(yīng)，避免副反應(yīng)發(fā)生，減少CO2的生成，并提高漆膜干燥速度；而鋁化合物部分起到協(xié)同效果，可延長(zhǎng)涂料的適用期。因此在相同催化劑的用量下，K-KAT催化劑使得配方和生產(chǎn)更靈活，降低能耗。所以選用K-KAT作為高固體分飛機(jī)蒙皮涂料的催化劑。通過(guò)試驗(yàn)，K-KAT的最佳用量為0.5%。

    2.4顏料的影響

    飛機(jī)蒙皮涂料要求所用的顏料在戶外能長(zhǎng)久保持鮮艷的色彩，通常選用高耐候性的顏料。由于飛機(jī)蒙皮涂料以白色為主，故對(duì)鈦白粉作了選擇實(shí)驗(yàn)。

    2.4.1鈦白粉種類的影響

    金紅石型鈦白粉具有強(qiáng)烈的吸收紫外光的功效，可以提高涂料的耐候性。因此，選用R706、R960、R-903這3種金紅石型鈦白粉進(jìn)行耐候性實(shí)驗(yàn)。在相同的顏基比下，漆膜耐候性測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同型號(hào)鈦白粉對(duì)漆膜耐候性的影響

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    由圖3可見(jiàn)：R960在試驗(yàn)的初期與R706的性能相差不大，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，R706的優(yōu)越性就體現(xiàn)出來(lái)。這是因?yàn)門iO2的性質(zhì)在很大程度上與其粒子的粒度密切相關(guān)。R706的粒度最小，它的表面包覆著三氧化二鋁，Al2O3能在激發(fā)電子通過(guò)有缺陷的晶格時(shí)，重新成為電子和空穴結(jié)合的中心，減少了到達(dá)表面的電子和空穴的數(shù)目，并為羥基或過(guò)羥基的重新結(jié)合提供活性，提高了樹(shù)脂體系對(duì)紫外線的吸收活性。此外，R706的有效成分TiO2的含量最高，最低含量達(dá)到93%，所以它比其他兩者的反射效率要高，因此涂料耐候性更為優(yōu)異，故選擇杜邦公司的R-706鈦白粉。
2.4.2顏基比的影響

    在高固體分涂料的配方組成中，顏基比非常重要。表6列出了不同顏基比對(duì)漆膜性能的影響，提高鈦白粉的含量可以有效提高涂料的遮蓋率，但是由于顏料的增加，增加了漆膜的內(nèi)應(yīng)力，使漆膜變得更加堅(jiān)硬，造成了抗沖擊性的下降。需選擇合適的顏基比，才能取得涂料的遮蓋率和抗沖擊性之間的平衡。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果的分析，高固體分飛機(jī)蒙皮涂料的顏基比以1∶1.3~1.4為宜。

表6 不同顏基比對(duì)漆膜性能的影響

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    2.5助劑的影響

    高固體分涂料較常規(guī)溶劑型涂料的固體分含量高，施工黏度也相對(duì)要高。一般情況下，樹(shù)脂的表面張力高于溶劑的表面張力，高固體分涂料表面張力較大，所以在其成膜過(guò)程中，表面溶劑揮發(fā)后，因樹(shù)脂產(chǎn)生的表面張力梯度也較常規(guī)溶劑型涂料更為明顯，會(huì)使?jié)衲げ荒艹浞至鲃?dòng)，形成類似橘皮狀的痕跡。此外，基于同樣的原因，高固體分涂料對(duì)底材的潤(rùn)濕性也較常規(guī)溶劑型涂料差，更易產(chǎn)生縮孔缺陷。綜上所述，高固體分飛機(jī)蒙皮涂料需要加入防縮孔劑、流平劑和防流掛劑來(lái)改善其施工性能。通過(guò)一系列實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的噴涂后，選用BYK331、BYK358、BYK410作為主要助劑。

    3結(jié)語(yǔ)

    （1）研究了各種多異氰酸酯預(yù)聚物固化劑對(duì)漆膜性能的影響，確定了用高固含量低黏度的N-3390作為固化劑，同時(shí)分析了-NCO/-OH的摩爾比對(duì)高固體分飛機(jī)蒙皮涂料性能的影響，并確定了-NCO/-OH的摩爾比為1.1~1.15。（2）著重研究了不同類型鈦白粉對(duì)高固體分飛機(jī)蒙皮涂料耐候性的影響，并通過(guò)分析顏基比對(duì)涂料抗沖擊性和遮蓋率的影響，確定了高固體分飛機(jī)蒙皮涂料的基本配方。（3）通過(guò)選用非錫類催化劑，解決了高固體分飛機(jī)蒙皮涂料中有關(guān)催化劑的環(huán)保問(wèn)題。（4）分析了高固體分飛機(jī)蒙皮涂料在施工中的常見(jiàn)問(wèn)題，利用防縮孔劑、流平劑和防流掛劑對(duì)其施工性進(jìn)行改善。（5）以研究結(jié)果為依據(jù)開(kāi)發(fā)的高固體分飛機(jī)蒙皮涂料，完全滿足波音材料規(guī)范要求，是一種性能優(yōu)良的環(huán)境友好型涂料。