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砂磨機對高固體分飛機蒙皮涂料的影響

摘要：以高固體分飛機蒙皮涂料為研究對象，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、環保型催干劑和助劑對涂料性能的影響，并通過助劑改善高固體分飛機蒙皮涂料的施工性。所研制的高固體分飛機蒙皮涂料滿足波音材料規范的技術要求，是一種符合環保發展趨勢，且性能優良的飛機保護和裝飾涂料。

    關鍵詞：高固體分涂料；飛機蒙皮涂料；波音材料規范

    0引言

    環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。國外環境友好型航空涂料的研究始于20世紀60年代，目前已經達到了在波音、空客等大型飛機中廣泛應用的程度。例如波音737、747、757、767系列飛機的機翼及機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，均達到了高固體分涂料的要求。目前世界上最大的飛機A380機身和尾翼采用了PPG公司生產的DesothaneHSCA8000高固體分聚氨酯磁漆。該磁漆的體積固體分為55%，遠高于普通磁漆30%的體積固體分。除此之外，波音7×7系列使用的是AkzoNobel公司生產的輕質無鉻AVIOXCF底漆和Aeroflex柔性聚氨酯磁漆。在國外，高固體分涂料在大型客機上的應用已非常普遍。本文選擇聚酯聚氨酯涂料作為研究對象，以波音公司的先進航空材料規范作為研發依據，研制高固體分飛機蒙皮涂料。

    1實驗部分

    1.1原材料

    聚酯樹脂，異氰酸酯固化劑，鈦白粉、各種溶劑以及助劑。

    1.2配方及生產工藝

    1.2.1基本配方

    飛機蒙皮涂料基本配方見表1。

表1 飛機蒙皮涂料基本配方

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    1.2.2生產工藝

    （1）按照配方在干凈調漆缸內，分別投入聚酯樹脂及混合溶劑；啟動攪拌器，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，啟動砂磨機進行研磨，細度達到10μm以下時，用200目絹絲布過濾，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蒙皮涂料。

    1.3性能測試

    高固體分飛機蒙皮涂料的性能測試結果見表2。

    2結果和討論

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

表2 高固體分飛機蒙皮涂料性能測試結果
2.1多異氰酸酯預聚物固化劑類型的影響

    常用的多異氰酸酯預聚物固化劑為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，其具體結構式見圖1。

圖1 各種異氰酸酯的結構式

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    選用多異氰酸酯預聚物L75（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）與自制樹脂制成清漆，進行性能測試。圖2為不同多異氰酸酯預聚物固化劑對漆膜耐候性的影響；表3為多異氰酸酯預聚物固化劑的種類對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。這是因為TDI結構中的苯環（見圖1）具有共軛效應，因此氨酯鍵氧化斷裂形成偶氮結構，導致漆膜耐候性差。雖然HDI也有相同的氨酯鍵結構，但其斷鏈所生成的胺不是直接接在苯環上，而被旁邊的甲基隔斷（見圖1），這樣就難以形成偶氮或醌式結構，因此相對TDI具有更優良的耐候性。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中的剛性苯環結構導致漆膜的柔韌性相對較差。

圖2 不同異氰酸酯預聚物對漆膜耐候性的影響

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表3 多異氰酸酯預聚物的種類對漆膜性能的影響

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    此外，HDI三聚體的環狀結構上沒有活潑氫原子，不會形成分子內或分子間氫鍵，因而產物黏度低，易制成高固體分涂料；而縮二脲分子間含有氫鍵，互相吸引，長期貯存容易使黏度增高。本文所研究對象為高固體分飛機蒙皮涂料，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分子質量較低，交聯成膜需要更多的基團參與反應，才能達到預期的相對分子質量。-NCO/-OH的比例影響涂層的交聯密度，涂層交聯密度過高或過低，都將不利于分子鏈的擴散，因此，需要設計合適的-NCO/-OH摩爾比來滿足高固體分飛機蒙皮涂料所要達到的性能。按照-NCO/-OH不同比例配漆，制成樣板，檢測漆膜性能，結果如表4所示。

表4 -NCO/-OH摩爾比對漆膜性能的影響

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    由表4可見：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。這是因為：隨著-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，同時它的氫鍵含量也隨之增加，這樣既提高了漆膜的交聯密度，又增大了漆膜的硬度。除此之外，因為未反應的-NCO基團數量不斷增加，-NCO會與其他含活潑H的基團（例如空氣中的水）反應，產生化學結合力，這些也會提高漆膜的耐化學品性。參考所要達到的波音技術指標要求，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，而且對漆膜的性能也有一定影響。目前常用的催化劑為有機胺類、有機錫類和有機金屬鹽類，而有機錫類催化劑由于它的毒性，在歐洲已被列為禁用產品，因此需要用非錫類催化劑來替代。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）對涂料適用期、表干時間以及鉛筆硬度的影響。

表5 不同類型催化劑對漆膜性能的影響

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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錫催化劑相似，但是大大提高了適用期。這是因為：K-KAT催化劑的鉍化合物部分與錫化合物相同，對異氰酸酯與醇類的反應有特別高的活性，能降低與水反應的選擇性，促進-NCO/-OH反應，避免副反應發生，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同效果，可延長涂料的適用期。因此在相同催化劑的用量下，K-KAT催化劑使得配方和生產更靈活，降低能耗。所以選用K-KAT作為高固體分飛機蒙皮涂料的催化劑。通過試驗，K-KAT的最佳用量為0.5%。

    2.4顏料的影響

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

    2.4.1鈦白粉種類的影響

    金紅石型鈦白粉具有強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行耐候性實驗。在相同的顏基比下，漆膜耐候性測試結果如圖3所示。

圖3 不同型號鈦白粉對漆膜耐候性的影響

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    由圖3可見：R960在試驗的初期與R706的性能相差不大，但隨著時間的延長，R706的優越性就體現出來。這是因為TiO2的性質在很大程度上與其粒子的粒度密切相關。R706的粒度最小，它的表面包覆著三氧化二鋁，Al2O3能在激發電子通過有缺陷的晶格時，重新成為電子和空穴結合的中心，減少了到達表面的電子和空穴的數目，并為羥基或過羥基的重新結合提供活性，提高了樹脂體系對紫外線的吸收活性。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，增加了漆膜的內應力，使漆膜變得更加堅硬，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。通過試驗結果的分析，高固體分飛機蒙皮涂料的顏基比以1∶1.3~1.4為宜。

表6 不同顏基比對漆膜性能的影響

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    2.5助劑的影響

    高固體分涂料較常規溶劑型涂料的固體分含量高，施工黏度也相對要高。一般情況下，樹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，所以在其成膜過程中，表面溶劑揮發后，因樹脂產生的表面張力梯度也較常規溶劑型涂料更為明顯，會使濕膜不能充分流動，形成類似橘皮狀的痕跡。此外，基于同樣的原因，高固體分涂料對底材的潤濕性也較常規溶劑型涂料差，更易產生縮孔缺陷。綜上所述，高固體分飛機蒙皮涂料需要加入防縮孔劑、流平劑和防流掛劑來改善其施工性能。通過一系列實際現場的噴涂后，選用BYK331、BYK358、BYK410作為主要助劑。

    3結語

    （1）研究了各種多異氰酸酯預聚物固化劑對漆膜性能的影響，確定了用高固含量低黏度的N-3390作為固化劑，同時分析了-NCO/-OH的摩爾比對高固體分飛機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高固體分飛機蒙皮涂料耐候性的影響，并通過分析顏基比對涂料抗沖擊性和遮蓋率的影響，確定了高固體分飛機蒙皮涂料的基本配方。（3）通過選用非錫類催化劑，解決了高固體分飛機蒙皮涂料中有關催化劑的環保問題。（4）分析了高固體分飛機蒙皮涂料在施工中的常見問題，利用防縮孔劑、流平劑和防流掛劑對其施工性進行改善。（5）以研究結果為依據開發的高固體分飛機蒙皮涂料，完全滿足波音材料規范要求，是一種性能優良的環境友好型涂料。