砂磨机对高固体分飞机蒙皮涂料的影响

摘要：以高固体分飞机蒙皮涂料为研究对象，讨论了异氰酸酯固化剂类型、-NCO/-OH摩尔比、钛白粉类型、颜基比、环保型催干剂和助剂对涂料性能的影响，并通过助剂改善高固体分飞机蒙皮涂料的施工性。所研制的高固体分飞机蒙皮涂料满足波音材料规范的技术要求，是一种符合环保发展趋势，且性能优良的飞机保护和装饰涂料。

    关键词：高固体分涂料；飞机蒙皮涂料；波音材料规范

    0引言

    环境友好型航空涂料主要有3大类：不含铅、铬等重金属的防腐蚀涂料，高固体分或低VOC涂料（VOC含量≤420g/L），以及水性涂料。国外环境友好型航空涂料的研究始于20世纪60年代，目前已经达到了在波音、空客等大型飞机中广泛应用的程度。例如波音737、747、757、767系列飞机的机翼及机身外表面多处使用了高固体分的BMS10-60TypeⅡ白色面漆，其VOC含量≤420g/L。与之配套的黄色底漆BMS10-79TypeⅢClassD，VOC含量≤350g/L，均达到了高固体分涂料的要求。目前世界上最大的飞机A380机身和尾翼采用了PPG公司生产的DesothaneHSCA8000高固体分聚氨酯磁漆。该磁漆的体积固体分为55%，远高于普通磁漆30%的体积固体分。除此之外，波音7×7系列使用的是AkzoNobel公司生产的轻质无铬AVIOXCF底漆和Aeroflex柔性聚氨酯磁漆。在国外，高固体分涂料在大型客机上的应用已非常普遍。本文选择聚酯聚氨酯涂料作为研究对象，以波音公司的先进航空材料规范作为研发依据，研制高固体分飞机蒙皮涂料。

    1实验部分

    1.1原材料

    聚酯树脂，异氰酸酯固化剂，钛白粉、各种溶剂以及助剂。

    1.2配方及生产工艺

    1.2.1基本配方

    飞机蒙皮涂料基本配方见表1。

表1 飞机蒙皮涂料基本配方

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    1.2.2生产工艺

    （1）按照配方在干净调漆缸内，分别投入聚酯树脂及混合溶剂；启动搅拌器，低速搅拌下，分别加入钛白粉及助剂，高速搅拌30min后，停止搅拌，启动砂磨机进行研磨，细度达到10μm以下时，用200目绢丝布过滤，出料。

    （2）将上述所得的色漆料和异氰酸酯固化剂以2∶1的比例混合，即制得高固体分飞机蒙皮涂料。

    1.3性能测试

    高固体分飞机蒙皮涂料的性能测试结果见表2。

    2结果和讨论

    本文所研制的高固体分飞机蒙皮涂料是双组分聚氨酯类型，其中树脂基料为自主合成，下面重点讨论固化剂、颜料以及催化剂的选择。

表2 高固体分飞机蒙皮涂料性能测试结果
2.1多异氰酸酯预聚物固化剂类型的影响

    常用的多异氰酸酯预聚物固化剂为TDI（甲苯二异氰酸酯）、HDI（六亚甲基二异氰酸酯）缩二脲多异氰酸酯、HDI三聚体多异氰酸酯以及IPDI（异佛尔酮二异氰酸酯）三聚体多异氰酸酯，其具体结构式见图1。

图1 各种异氰酸酯的结构式

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    选用多异氰酸酯预聚物L75（TDI加成物），N75（HDI缩二脲多异氰酸酯）以及N3390（HDI三聚体多异氰酸酯）与自制树脂制成清漆，进行性能测试。图2为不同多异氰酸酯预聚物固化剂对漆膜耐候性的影响；表3为多异氰酸酯预聚物固化剂的种类对漆膜耐液压油性和抗冲击性的影响。从图2可知：HDI固化剂所配制清漆的耐候性最佳。这是因为TDI结构中的苯环（见图1）具有共轭效应，因此氨酯键氧化断裂形成偶氮结构，导致漆膜耐候性差。虽然HDI也有相同的氨酯键结构，但其断链所生成的胺不是直接接在苯环上，而被旁边的甲基隔断（见图1），这样就难以形成偶氮或醌式结构，因此相对TDI具有更优良的耐候性。此外，从表3可知：TDI固化剂所配制漆膜的抗冲击性最差，这是由于TDI中的刚性苯环结构导致漆膜的柔韧性相对较差。

图2 不同异氰酸酯预聚物对漆膜耐候性的影响

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表3 多异氰酸酯预聚物的种类对漆膜性能的影响

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    此外，HDI三聚体的环状结构上没有活泼氢原子，不会形成分子内或分子间氢键，因而产物黏度低，易制成高固体分涂料；而缩二脲分子间含有氢键，互相吸引，长期贮存容易使黏度增高。本文所研究对象为高固体分飞机蒙皮涂料，因此最后确定使用HDI三聚体（N3390）作为固化剂。

    2.2-NCO/-OH摩尔比的影响

    高固体分涂料中的聚合物相对分子质量较低，交联成膜需要更多的基团参与反应，才能达到预期的相对分子质量。-NCO/-OH的比例影响涂层的交联密度，涂层交联密度过高或过低，都将不利于分子链的扩散，因此，需要设计合适的-NCO/-OH摩尔比来满足高固体分飞机蒙皮涂料所要达到的性能。按照-NCO/-OH不同比例配漆，制成样板，检测漆膜性能，结果如表4所示。

表4 -NCO/-OH摩尔比对漆膜性能的影响

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    由表4可见：随着-NCO/-OH摩尔比增大，漆膜的抗冲击性逐步下降，但是其耐液压油性却逐步上升，漆膜的硬度也随之增大。这是因为：随着-NCO/-OH摩尔比的增大，漆膜中生成的硬段——氨基甲酸酯基也随之增加，不但如此，同时它的氢键含量也随之增加，这样既提高了漆膜的交联密度，又增大了漆膜的硬度。除此之外，因为未反应的-NCO基团数量不断增加，-NCO会与其他含活泼H的基团（例如空气中的水）反应，产生化学结合力，这些也会提高漆膜的耐化学品性。参考所要达到的波音技术指标要求，选择-NCO/-OH摩尔比为1.1~1.15。
2.3催化剂的影响

    聚氨酯涂料所用的催化剂不仅影响漆膜的固化速度，而且对漆膜的性能也有一定影响。目前常用的催化剂为有机胺类、有机锡类和有机金属盐类，而有机锡类催化剂由于它的毒性，在欧洲已被列为禁用产品，因此需要用非锡类催化剂来替代。表5列出了DBTDL（二月桂酸二丁锡）和K-KAT催化剂（铋羧酸酯与铝铬合物）对涂料适用期、表干时间以及铅笔硬度的影响。

表5 不同类型催化剂对漆膜性能的影响

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    如表5所示：使用K-KAT催化剂在表干速度上与有机锡催化剂相似，但是大大提高了适用期。这是因为：K-KAT催化剂的铋化合物部分与锡化合物相同，对异氰酸酯与醇类的反应有特别高的活性，能降低与水反应的选择性，促进-NCO/-OH反应，避免副反应发生，减少CO2的生成，并提高漆膜干燥速度；而铝化合物部分起到协同效果，可延长涂料的适用期。因此在相同催化剂的用量下，K-KAT催化剂使得配方和生产更灵活，降低能耗。所以选用K-KAT作为高固体分飞机蒙皮涂料的催化剂。通过试验，K-KAT的最佳用量为0.5%。

    2.4颜料的影响

    飞机蒙皮涂料要求所用的颜料在户外能长久保持鲜艳的色彩，通常选用高耐候性的颜料。由于飞机蒙皮涂料以白色为主，故对钛白粉作了选择实验。

    2.4.1钛白粉种类的影响

    金红石型钛白粉具有强烈的吸收紫外光的功效，可以提高涂料的耐候性。因此，选用R706、R960、R-903这3种金红石型钛白粉进行耐候性实验。在相同的颜基比下，漆膜耐候性测试结果如图3所示。

图3 不同型号钛白粉对漆膜耐候性的影响

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    由图3可见：R960在试验的初期与R706的性能相差不大，但随着时间的延长，R706的优越性就体现出来。这是因为TiO2的性质在很大程度上与其粒子的粒度密切相关。R706的粒度最小，它的表面包覆着三氧化二铝，Al2O3能在激发电子通过有缺陷的晶格时，重新成为电子和空穴结合的中心，减少了到达表面的电子和空穴的数目，并为羟基或过羟基的重新结合提供活性，提高了树脂体系对紫外线的吸收活性。此外，R706的有效成分TiO2的含量最高，最低含量达到93%，所以它比其他两者的反射效率要高，因此涂料耐候性更为优异，故选择杜邦公司的R-706钛白粉。
2.4.2颜基比的影响

    在高固体分涂料的配方组成中，颜基比非常重要。表6列出了不同颜基比对漆膜性能的影响，提高钛白粉的含量可以有效提高涂料的遮盖率，但是由于颜料的增加，增加了漆膜的内应力，使漆膜变得更加坚硬，造成了抗冲击性的下降。需选择合适的颜基比，才能取得涂料的遮盖率和抗冲击性之间的平衡。通过试验结果的分析，高固体分飞机蒙皮涂料的颜基比以1∶1.3~1.4为宜。

表6 不同颜基比对漆膜性能的影响

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    2.5助剂的影响

    高固体分涂料较常规溶剂型涂料的固体分含量高，施工黏度也相对要高。一般情况下，树脂的表面张力高于溶剂的表面张力，高固体分涂料表面张力较大，所以在其成膜过程中，表面溶剂挥发后，因树脂产生的表面张力梯度也较常规溶剂型涂料更为明显，会使湿膜不能充分流动，形成类似橘皮状的痕迹。此外，基于同样的原因，高固体分涂料对底材的润湿性也较常规溶剂型涂料差，更易产生缩孔缺陷。综上所述，高固体分飞机蒙皮涂料需要加入防缩孔剂、流平剂和防流挂剂来改善其施工性能。通过一系列实际现场的喷涂后，选用BYK331、BYK358、BYK410作为主要助剂。

    3结语

    （1）研究了各种多异氰酸酯预聚物固化剂对漆膜性能的影响，确定了用高固含量低黏度的N-3390作为固化剂，同时分析了-NCO/-OH的摩尔比对高固体分飞机蒙皮涂料性能的影响，并确定了-NCO/-OH的摩尔比为1.1~1.15。（2）着重研究了不同类型钛白粉对高固体分飞机蒙皮涂料耐候性的影响，并通过分析颜基比对涂料抗冲击性和遮盖率的影响，确定了高固体分飞机蒙皮涂料的基本配方。（3）通过选用非锡类催化剂，解决了高固体分飞机蒙皮涂料中有关催化剂的环保问题。（4）分析了高固体分飞机蒙皮涂料在施工中的常见问题，利用防缩孔剂、流平剂和防流挂剂对其施工性进行改善。（5）以研究结果为依据开发的高固体分飞机蒙皮涂料，完全满足波音材料规范要求，是一种性能优良的环境友好型涂料。