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(海洋化工研究院有限公司，海洋涂料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071)

環(huán)氧-聚氨酯涂料在復(fù)合材料上的涂裝研究

王黎，阮潤(rùn)琦，郭年華，薛玉華，步明升，汪威

(海洋化工研究院有限公司，海洋涂料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071)

通過(guò)拉拔附著力試驗(yàn)，確定了環(huán)氧底漆和聚氨酯透明漆在碳纖維復(fù)合基材上采用濕-濕涂裝工藝，漆膜與基材具有良好的附著力，同時(shí)具有優(yōu)良的層間附著力，滿足使用要求。

碳纖維復(fù)材，環(huán)氧底漆，聚氨酯透明漆，涂裝工藝

碳纖維復(fù)合材料由碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合制成的纖維增強(qiáng)材料，具有低密度、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)制造領(lǐng)域[1-8]。在航空航天領(lǐng)域，用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片，使發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的涵道比、更低的質(zhì)量，具有高效率、低噪聲、較低燃油消耗率、抗顫振等優(yōu)勢(shì)[9-10]；隨著碳纖維材料的不斷改進(jìn)和功能優(yōu)化，其與鋁合金、鈦合金、合金鋼一起成為飛機(jī)機(jī)體的四大先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料，在飛機(jī)制造中的應(yīng)用比例不斷增加，小型商務(wù)飛機(jī)和直升飛機(jī)上的使用量已占70%～80%，軍用飛機(jī)上占30%～40%，大型客機(jī)上占15%～50%[1-3]；以碳纖維復(fù)合材料制造的空間反射鏡，具有高精度和良好的穩(wěn)定性，是空間光學(xué)系統(tǒng)大型化和輕量化發(fā)展的優(yōu)選材料[11-12]；以碳纖維復(fù)合材料為結(jié)構(gòu)材料的空間太陽(yáng)能電池陣，能經(jīng)受軌道飛行中日照期和星蝕期的環(huán)境溫度交替變化，及重返大氣層時(shí)的高溫環(huán)境[13]。此外，碳纖維復(fù)合材料在船舶制造、海上能源開發(fā)、海洋工程修復(fù)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越大的作用，如在艦船的上層建筑中使用碳纖維復(fù)合材料不僅可以減輕船體的重量，而且通過(guò)在夾層中嵌入有濾波功能的頻率選擇層，就可以在預(yù)定的頻率下發(fā)射和接受電磁波，從而屏蔽敵方的雷達(dá)電磁波；在推進(jìn)系統(tǒng)上可用作螺旋槳和推進(jìn)軸系，減輕船體的振動(dòng)效應(yīng)和噪聲等[14]。

隨著碳纖維材料應(yīng)用的廣泛性，碳纖維保護(hù)涂層及其涂裝工藝的研究和應(yīng)用也越來(lái)越多。如李霞等研制的耐高溫隔熱涂料——環(huán)氧改性有機(jī)硅涂料，用于保護(hù)碳纖維復(fù)合材料制備的發(fā)射筒在受到高溫燃?xì)饬鞯臎_刷時(shí)免于受損[15]；岳海亮等通過(guò)剝離實(shí)驗(yàn)研究了不同表面處理方式對(duì)聚氨酯彈性體與碳纖維復(fù)合材料層合板界面粘接強(qiáng)度的影響[16]；熊道武等研究了碳纖維復(fù)合材料的涂裝烘烤工藝等[17]。

本文通過(guò)拉拔附著力試驗(yàn)，對(duì)比了濕-濕涂裝和干膜涂裝兩種涂裝方式對(duì)漆膜層間附著力的影響，確定了有色環(huán)氧底漆、無(wú)色環(huán)氧底漆和聚氨酯透明漆在碳纖維復(fù)材上的涂裝工藝。

1 復(fù)材與涂料

1.1 復(fù)合材料的涂裝要求

所涂裝的復(fù)合材料由兩部分組成，主體部分為碳纖維復(fù)合材料，側(cè)邊包覆金屬?gòu)?fù)合材料；要求在碳纖維復(fù)合材料部分涂覆有色底漆，在金屬?gòu)?fù)合材料部分涂覆無(wú)色透明底漆，整體涂覆罩光清漆，涂層系統(tǒng)厚度小于60μm；涂覆方式為常規(guī)空氣噴涂；由于在使用過(guò)程中受到外力沖擊，要求漆膜具有良好的抗沖性能、打磨性能、層間附著力及干燥性能，可以在室溫和加熱方式下干燥固化，便于修補(bǔ)。

1.2 基材處理

由于復(fù)合材料表面有一層脫模劑，在涂裝前需對(duì)表面進(jìn)行處理，先對(duì)表面進(jìn)行清洗，再用300目以上砂紙對(duì)表面進(jìn)行徹底打磨，最后用乙醇擦拭干凈。

1.3 涂料應(yīng)用說(shuō)明

試驗(yàn)中以未包邊的碳纖維復(fù)材平板為樣板，分兩種情況：(1)碳纖維復(fù)材和金屬?gòu)?fù)材臨界部分的涂層體系為有色底漆+無(wú)色透明底漆+罩光清漆，(2)碳纖維復(fù)材其它部分為有色底漆+罩光清漆。

根據(jù)材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，底漆選用環(huán)氧底漆，包括有色環(huán)氧底漆和無(wú)色環(huán)氧底漆；罩光清漆選用聚氨酯透明漆。環(huán)氧底漆的樹脂體系為環(huán)氧樹脂(NPES-901和E-44)、聚氨酯改性環(huán)氧樹脂(自合成)為基料，和改性胺、聚酰胺固化劑組成；環(huán)氧樹脂分子鏈中含有羥基、醚基團(tuán)(-C-O-C-)等極性基團(tuán)，可與基材表面形成氫鍵，使涂膜在基材表面具有很高的粘附力，同時(shí)，環(huán)氧樹脂在固化過(guò)程中是直接加成反應(yīng)或樹脂分子中環(huán)氧基的開環(huán)聚合反應(yīng)，沒有水或其它揮發(fā)性副產(chǎn)物放出，收縮性低，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力小，有助于提高樹脂的附著力；聚氨酯改性環(huán)氧樹脂具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性好，有很好的柔韌性和延展性，對(duì)漆膜有很好的增韌效果，提高漆膜的抗沖擊性能和拉伸強(qiáng)度；配合韌性、快干、防腐的胺類固化劑，該樹脂體系組成的涂料適合于在復(fù)合材料、金屬基材上的應(yīng)用。

有色環(huán)氧底漆和無(wú)色環(huán)氧底漆的區(qū)別主要在于顏填料、助劑、顏基比，有色環(huán)氧底漆涂覆在多孔的復(fù)材表面，所用顏填料具有填充效果好、遮蓋力高的特點(diǎn)，顏基比60%～70%；無(wú)色環(huán)氧底漆，填料采用遮蓋力小的打磨粉料，顏基比70%～80%；助劑均不用硅氟類的助劑，減少對(duì)層間附著的影響。

聚氨酯透明漆，由耐候性好、保光保色性能好的長(zhǎng)鏈脂肪族聚酯樹脂和聚氨酯固化劑組成樹脂體系，具有優(yōu)異的柔韌性、抗沖擊、耐高低溫沖擊等性能；在不影響光澤和漆膜透明度的情況下添加了無(wú)遮蓋力的易打磨粉料和樹脂，提高漆膜的打磨性，便于漆膜的修補(bǔ)和重涂。

有色環(huán)氧底漆、無(wú)色環(huán)氧底漆和聚氨酯透明漆在馬口鐵板上的漆膜性能如表1所示。

表1 漆膜性能Table 1 Film performance

1.4 拉拔附著力測(cè)試

通過(guò)拉拔附著力測(cè)試對(duì)漆膜附著力的情況進(jìn)行試驗(yàn)。拉拔儀為美國(guó)狄夫斯高 (DeFelsko)拉脫法附著力測(cè)試儀(PosiTest? Pull-Off Adhesion Tester)；鋁錠柱子的直徑為20mm；膠為改性丙烯酸酯膠黏劑302膠，市售。試驗(yàn)過(guò)程：將被測(cè)試板表面打磨，用乙醇擦拭干凈，將鋁錠柱子用302膠粘在試板上，室溫放置24h，用銳利的刀子延鋁柱的周線，切透固化了的膠和涂層直至底材，然后用拉拔儀進(jìn)行測(cè)試。

2 在復(fù)合材料上的涂裝工藝

2.1 在碳纖維復(fù)材平板上的涂裝工藝比較

涂裝采用濕-濕涂裝和干膜涂裝，拉拔附著力測(cè)試，對(duì)比兩種涂裝工藝對(duì)層間附著力的影響。濕-濕涂裝即在表干狀態(tài)下，噴涂第二道漆；干膜涂裝即第一道漆實(shí)干后，細(xì)砂紙打磨，然后噴涂第二道漆。

樣板A涂裝過(guò)程如圖1所示，其拉拔試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示；樣板B為干膜涂裝，其涂裝過(guò)程如圖3所示，拉拔試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖1 樣板A涂裝過(guò)程Fig.1 The coating process of sample A

圖2 樣板A拉拔附著力試驗(yàn)Fig.2 Pull-Off Adhesion test of sample A

結(jié)合圖1、圖2可以看出，有色環(huán)氧底漆+聚氨酯透明漆不管是濕-濕涂裝(A-1)還是干膜涂裝(A-2)，在拉拔試驗(yàn)中都是有色環(huán)氧底漆從基材上完全拉起，說(shuō)明有色環(huán)氧底漆與聚氨酯透明漆層間附著良好，兩種涂裝方式對(duì)其層間附著沒有明顯影響。有色環(huán)氧底漆+無(wú)色環(huán)氧底漆(A-3)(濕-濕涂裝)在做拉拔試驗(yàn)時(shí)，從膠斷開，沒有漆膜層間斷裂；在A-4區(qū)域，有色環(huán)氧底漆+無(wú)色環(huán)氧底漆為濕-濕涂裝，無(wú)色環(huán)氧底漆+聚氨酯透明漆為干膜涂裝，拉拔試驗(yàn)拉拔起部分底漆，白色部分為膠，沒有明顯涂層間分離面。

圖3 樣板B涂裝過(guò)程Fig.3 The coating process of sample B

圖4 樣板B拉拔附著力試驗(yàn)Fig.4 Pull-Off Adhesion test of sample B

從圖3、圖4看出，B-2和B-3區(qū)域拉拔試驗(yàn)從涂層間斷開，用細(xì)砂紙打磨基材上的斷面，有紅色粉末，說(shuō)明漆膜是從有色環(huán)氧底漆與無(wú)色環(huán)氧底漆層間斷開；并且在用小刀切鋁柱周線時(shí)，涂層有明顯的斷層；說(shuō)明干膜涂裝不利于有色環(huán)氧底漆和無(wú)色環(huán)氧底漆的層間契合。

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)聚氨酯透明漆與環(huán)氧底漆在濕-濕涂裝和干膜涂裝兩種涂裝方式下均具有較好的層間附著力；而濕-濕涂裝更有利于有色環(huán)氧底漆與無(wú)色環(huán)氧底漆的漆膜層間契合。

2.2 涂裝工藝的確定

采用濕-濕涂裝工藝，減少涂裝時(shí)間間隔，通過(guò)樣板C試驗(yàn)對(duì)濕-濕涂裝進(jìn)行確定，樣板C涂裝過(guò)程如圖5所示，拉拔試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看到，有色環(huán)氧底漆+無(wú)色環(huán)氧底漆(C-1)，斷裂面在無(wú)色環(huán)氧底漆和膠之間，有色環(huán)氧底漆與無(wú)色環(huán)氧底漆沒有明顯斷裂面，說(shuō)明在濕-濕涂裝情況下，有色環(huán)氧底漆與無(wú)色環(huán)氧底漆有良好的層間附著力；有色環(huán)氧底漆+聚氨酯透明漆(C-3)，在拉拔試驗(yàn)中，除右側(cè)兩個(gè)鋁柱是膠與聚氨酯透明漆斷開外，其余6個(gè)鋁柱均是底漆與基材分離，說(shuō)明聚氨酯透明漆在打磨過(guò)的環(huán)氧底漆上附著良好，沒有分層等缺陷。

圖5 樣板C涂裝過(guò)程Fig.5 The coating process of sample C

圖6 樣板C拉拔附著力試驗(yàn)Fig.6 Pull-Off Adhesion test of sample C

通過(guò)試驗(yàn)，確定在碳纖維復(fù)材平板上的涂裝工藝如下：(1)清洗、打磨復(fù)材平板備用；(2)噴涂有色環(huán)氧底漆，厚度(20～25)μm，室溫下放置(1～2)h；(3)噴涂無(wú)色環(huán)氧底漆，厚度(20～25)μm，室溫下放置(16～17)h，用300目以上的砂紙打磨，乙醇擦拭干凈，噴涂聚氨酯透明漆；或者室溫下放置(1～2)h后，放置在60℃的烘箱中30min，取出，冷卻至室溫，用300目以上的砂紙打磨，乙醇擦拭干凈，噴涂聚氨酯透明漆，厚度(20～25)μm。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)復(fù)合材料的組成特點(diǎn)(碳纖維復(fù)合材料，側(cè)邊金屬?gòu)?fù)材包邊)和涂裝要求，確定了涂料種類為有色環(huán)氧底漆、無(wú)色環(huán)氧底漆和聚氨酯透明漆；通過(guò)拉拔附著力測(cè)試，對(duì)比了濕-濕涂裝和干膜涂裝兩種涂裝方式對(duì)漆膜層間附著力的影響，確定了涂料在復(fù)材上的涂裝工藝為：先噴涂有色環(huán)氧底漆，室溫放置1h～2h，再噴涂無(wú)色環(huán)氧底漆，可在室溫放置17h后，打磨，涂裝聚氨酯透明漆，或者室溫放置1h～2h后，置于60℃烘箱中30min，冷卻至室溫打磨，再噴涂聚氨酯透明漆。該涂裝工藝有利于涂層間的良好契合，干膜具有良好的層間附著力。

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ApplicationofEpoxyPrimerandPolyurethaneCoatingonCarbonFiberComposite

WANG Li，RUAN Run-qi，GUO Nian-hua，XUE Yu-hua，BU Ming-sheng，WANG Wei

(Marine Chemicals Research Institute，State Key Laboratory of Marine Coatings，Qingdao 266071，Shandong，China)

Epoxy primer and polyurethane transparent paint coated on the carbon fiber composite material，by comparing the pull-off adhesion，indicating that wet-wet coating is good for the adhesion between layers，and meet the requirements.

carbon fiber composite material，epoxy primer，polyurethane transparent paint，coating process

TQ 613.3