鄧琦，王同良，白楊*，3，姜秀杰

1 海軍裝備部，北京100071

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

3 中國石油大學(xué)（華東）材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266580

0 引 言

隨著我國海洋資源開發(fā)利用的日漸成熟，船舶、海洋平臺等海洋工程裝備應(yīng)用得越來越多，其甲板表面的防滑涂層逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)［1］。甲板防滑涂層主要通過增大摩擦力來提高其表面的防滑性能，有效地降低人員、車輛以及飛機(jī)等其他物體的滑動性［2-3］。傳統(tǒng)甲板防滑涂層的硬度和摩擦系數(shù)在使用初期均能滿足需求，但隨著暴露在惡劣海洋環(huán)境中的時(shí)間持續(xù)增加，涂層的防滑及耐磨性能急劇下降，且后期涂層的維修和更換工作繁瑣復(fù)雜，維修成本高昂［4-5］。因此，開展新型甲板防滑涂層的研究迫在眉睫。

目前，常用的甲板防滑涂層主要是樹脂基防滑涂層，其優(yōu)點(diǎn)是施工工藝簡單、操作方便、涂層的結(jié)合強(qiáng)度及防滑性能能夠滿足大多數(shù)船舶甲板的需求［6］。樹脂基防滑涂層主要由樹脂、顏填料、溶劑、防滑粒料等組成［7］，按照涂料的組成分類為單組分、雙組分和多組分3 種涂層體系［8］。大多數(shù)涂層為雙組分環(huán)氧樹脂體系，其固化劑是能與環(huán)氧樹脂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的胺類，這種熱固型體系經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)后硬度高且耐磨性能好［9-11］。例如MS-400G 型和MS-400L 型高固含量雙組分環(huán)氧樹脂體系涂層，因其具有較好的耐磨性和抗沖擊性，被廣泛應(yīng)用于美國海軍大型艦船甲板［12-13］。Intershield 5150LWT 和Intershield 6GV 甲 板 防 滑涂層具有高耐磨性、高耐久性和輕量化等特點(diǎn)，可用于所有耐磨甲板區(qū)域［14-15］。

為解決傳統(tǒng)甲板防滑涂層在實(shí)際工況（干、濕、油態(tài)）下的耐磨損問題，本文將提出一種三明治結(jié)構(gòu)的高耐磨防滑涂層體系，其主要由改性環(huán)氧底漆、防滑層以及罩面面漆組成。通過研究涂層在不同工況下的防滑及耐磨行為，探討涂層的磨損機(jī)制。

1 試驗(yàn)分析

1.1 試驗(yàn)材料

新型高耐磨甲板防滑涂層所用原材料的基本信息如表1 所示。

1.2 涂層制備

圖1 為制備得到的甲板防滑涂層結(jié)構(gòu)示意圖。首先采用刷涂、輥涂或噴涂工藝在碳鋼基體上施工聚氨酯改性環(huán)氧防銹底漆，然后在防銹底漆上涂覆防滑層，最后在防滑層上涂裝一道聚氨酯罩面漆，以提高防滑層的耐候、耐老化性能。涂層的制備工藝主要包括5 個(gè)步驟。

表1 甲板防滑涂層所用工業(yè)級原材料Table 1 The industrial raw materials of non-skid deck coating

圖1 高耐磨強(qiáng)度甲板防滑涂層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of highly wear-resistant non-skid deck coating

1）基體材料表面處理。選擇厚度為3 mm 的Q235 碳鋼作為基體，對其表面進(jìn)行噴砂/噴丸除銹處理，要求達(dá)到GB 8923-88 標(biāo)準(zhǔn)［16］中Sa 2.5 級，并進(jìn)行除塵清潔。

2）聚氨酯改性環(huán)氧底漆制備。含羥基的多元醇化合物（聚醚多元醇、聚酯多元醇、羥基丙烯酸樹脂等）、2，4-甲苯異氰酸酯單體、環(huán)氧樹脂，在一定順序和條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，合成改性環(huán)氧樹脂，并采用該樹脂制備具有合適剛性和柔性的涂料，提高涂層的防腐和耐磨性能。

3）將改性環(huán)氧底漆雙組分按規(guī)定比例混合均勻后，采用刷涂、輥涂或噴涂工藝在清潔后的基體表面進(jìn)行底漆涂裝，干膜厚度達(dá)到120±10 μm。

4）充分混合顏填料、固化劑和防滑顆粒，采用刮涂、輥涂相結(jié)合的方式在已實(shí)干的防銹底漆表面施工，同時(shí)采用劃塊法控制涂層的厚度（750～3 000 μm），然后使用專用輥筒進(jìn)行拉毛處理。

5）采用輥涂、刷涂等方式將按規(guī)定比例配制的雙組分聚氨酯罩面面漆涂裝在已實(shí)干的防滑層上。

1.3 涂層性能測試方法

1.3.1 涂層表面紋理深度測試

涂層表面紋理深度反映了涂層表面的粗糙程度，是指涂層表面上較小間距和峰谷組成的微觀幾何形狀特性［17］。按照GJB 2264-1995 標(biāo)準(zhǔn)［18］進(jìn)行涂層表面紋理深度的測定。為了減少系統(tǒng)誤差，所有測試均采用3 個(gè)試樣（#1，#2，#3）平行進(jìn)行。用攤平器將已知體積的砂在涂層表面攤平成一定范圍的圓，盡可能使其頂面齊平；然后再用鋼尺測量出圓的2 個(gè)垂直方向的直徑，取平均值，精確到5 mm；最后按照式（1）計(jì)算涂層表面平均紋理深度D：

式中：V 為砂的體積；S 為圓形砂的覆蓋面積。

1.3.2 涂層附著力測試

參照GB/T 5210-2006 標(biāo)準(zhǔn)［19］測試涂層結(jié)合強(qiáng)度。試驗(yàn)設(shè)備采用PosiTest AT-M 數(shù)顯拉拔式附著力測試儀，圓柱形拉拔試樣尺寸為20 mm×30 mm，采用強(qiáng)力環(huán)氧膠，對其A，B 組分進(jìn)行等量混合，將混合后的膠黏劑涂抹在試柱和涂層表面，重合壓緊15 min 后再常溫固化2 h，結(jié)合強(qiáng)度取3個(gè)試樣的算術(shù)平均值。測試原理如圖2 所示。

圖2 抗拉伸結(jié)合強(qiáng)度測定Fig.2 Determination of tensile adhesive strength

1.3.3 涂層抗沖擊性能測試

參考美軍標(biāo)MIL-PRF-24667C［20］中有機(jī)防滑涂層抗沖擊力的測試方法。試樣尺寸為150 mm×150 mm×5 mm，沖擊球?yàn)?5.875 mm 的半球形，質(zhì)量1.8 kg，沖擊高度1.2 m。試樣固定后，按照圖3所示的沖擊順序進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)，相鄰沖擊點(diǎn)的中心間距均為20±1.5 mm。由圖3 可見，連續(xù)沖擊點(diǎn)呈5×5 矩陣，沖擊面積約為58 cm2。

1.3.4 涂層摩擦系數(shù)測試

圖3 抗沖擊試驗(yàn)的沖擊順序示意圖Fig.3 Schematic diagram of the impact sequence in impact resistance test

涂層表面的防滑性不僅能反映涂層的使用壽命，還是評價(jià)涂層性能的重要指標(biāo)之一。本文試驗(yàn)參照美軍標(biāo)MIL-PRF-24667C 中有機(jī)防滑涂層摩擦系數(shù)的測試方法，采用MXD-02 型摩擦系數(shù)測定儀測量。測試試樣尺寸為150 mm×300 mm×3 mm，硫化氯丁橡膠墊（邵氏硬度57±2 HA）包覆在一塊145 mm×100 mm×22 mm 的鋼板上，氯丁橡膠墊加鋼板的總質(zhì)量為2.7±0.2 kg。試驗(yàn)參數(shù)：加載力2.7±0.2 kg，移動速度300 mm/min，移動距離25 mm。干態(tài)條件測試完成后，用天然海水潤濕試樣，按照上述參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)；濕態(tài)條件下測試完成后，用自來水沖去試樣上的天然海水，并在120 ℃下干燥1 h，冷卻至標(biāo)準(zhǔn)條件，再用3 號航空煤油潤濕，并基于上述參數(shù)進(jìn)行測試。

1.3.5 涂層耐磨損性能測試

參照美軍標(biāo)MIL-PRF-24667C［20］中有機(jī)防滑涂層耐磨損測試方法，利用如圖4 所示自制的防滑涂料磨損測試儀進(jìn)行滑動磨損試驗(yàn)。防滑涂料磨損測試采用3 塊尺寸為300 mm×150 mm×6 mm的鋼板，制備涂層之前測量每塊鋼板的重量，精確到0.5 g。磨件采用直徑為3 mm 的鋼條，其長度比鋼板寬度大。試驗(yàn)參數(shù)：加載力13.6±0.1 kg，往復(fù)式運(yùn)動距離225 mm。每塊試樣在防滑涂層磨損測試儀上循環(huán)進(jìn)行50 次磨損試驗(yàn)，稱重后再循環(huán)進(jìn)行450 次磨損試驗(yàn)。涂料磨損時(shí)，磨件鋼條將在初始的50 次循環(huán)，及之后每150 次循環(huán)進(jìn)行更換。完成耐磨試驗(yàn)后對試樣稱重。磨損失重率按式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中：M 為磨損失重率；M1為涂刷涂料之前試樣的重量；M2為循環(huán)50 次后試樣的重量；M3為測試結(jié)束時(shí)試樣的重量。

2 涂層表面紋理深度分析

圖4 滑動磨損測試裝置Fig.4 Sliding wear test apparatus

圖5 所示為甲板防滑涂層的平均紋理深度隨磨損次數(shù)的變化曲線。由圖可見，隨著磨損次數(shù)的增加，涂層的平均紋理深度整體呈下降趨勢。3 塊試樣涂層磨損前表面平均紋理深度分別為1.14，1.10，1.08 mm，平均紋理深度較高；當(dāng)磨損次數(shù)小于50 次時(shí)，涂層的平均紋理深度隨著磨損次數(shù)的增加明顯下降，之后涂層的平均紋理深度下降趨于平緩；當(dāng)磨損次數(shù)達(dá)到500 次時(shí)，涂層表面平均紋理深度下降至0.7 mm 左右。

圖5 涂層的平均紋理深度隨磨損次數(shù)的變化曲線Fig.5 Average texture depth of non-skid deck coatings versus the number of wear cycle

3 涂層的力學(xué)性能分析

3.1 附著力

涂層附著力是指涂層與基體表面之間相互粘結(jié)的能力，反映了涂層與基體表面的粘附力和涂層本身的內(nèi)聚力。涂層的附著力測試結(jié)果如表2所示，測得3 塊試樣的附著力分別為12.8，13.0 和12.6 MPa，平均附著力為12.8 MPa。如圖6 所示，甲板防滑涂層斷裂主要發(fā)生在防滑層的內(nèi)部，說明防滑層的內(nèi)聚力小于防滑層與底漆、底漆與基體之間的黏著力以及底漆之間的內(nèi)聚力。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)［21］，涂層內(nèi)聚力與涂層厚度有一定的相關(guān)性，當(dāng)涂層超過一定厚度時(shí)，涂層內(nèi)聚力隨涂層厚度的增加呈線性遞減趨勢。

表2 甲板防滑涂層的附著力和抗沖擊性能測試結(jié)果Table 2 Test results of adhesion and impact resistance for non-skid deck coatings

圖6 拉開斷裂試驗(yàn)后涂層試樣的宏觀形貌圖Fig.6 Macroscopic topography of coating samples after tensile fracture test

3.2 抗沖擊性能

表2 給出了3 種涂層試樣的抗沖擊試驗(yàn)結(jié)果。從表中可以看出，3 塊試樣的抗沖擊性能較好，涂層的完好率均為100%。這主要是由于大分子量聚醚多元醇合成的聚氨酯軟段鏈長且柔性好［22］。圖7 所示為沖擊試驗(yàn)后3 塊試樣的宏觀照片。由圖可見，沖擊后的涂層表面均未發(fā)現(xiàn)裂紋和塊狀剝落現(xiàn)象，且各個(gè)沖擊點(diǎn)之間也無連通斷裂。

圖7 沖擊試驗(yàn)后涂層試樣的宏觀形貌圖Fig.7 Macroscopic topography of coating samples after impact test

3.3 防滑性能

圖8 為在不同工況和磨損次數(shù)下3 塊試樣的摩擦系數(shù)測試結(jié)果。由圖可見，不同工況下涂層的摩擦系數(shù)（CoF）均隨著磨損次數(shù)的增加呈緩慢降低的趨勢。磨損前涂層試樣的干態(tài)摩擦系數(shù)分別為1.20，1.23 和1.25；海水潤濕條件下，未磨損涂層表面的摩擦系數(shù)比干態(tài)條件下的摩擦系數(shù)略有下降，說明該涂層體系在海水潤濕條件下仍能保持較好的防滑性能；在3 號航空煤油潤濕的條件下，試樣涂層的摩擦系數(shù)較干態(tài)和濕態(tài)摩擦系數(shù)下降明顯，因?yàn)楹娇彰河驮谀Σ吝^程中起到了潤滑作用。相關(guān)文獻(xiàn)表明［23］，在油潤滑的條件下，涂層和摩擦副之間易形成一種吸附膜，吸附膜的減摩和潤滑作用導(dǎo)致涂層的防滑性能明顯降低。

圖8 不同工況和磨損次數(shù)下涂層的摩擦系數(shù)測試結(jié)果Fig.8 Test results of CoF for non-skid deck coatings under different conditions and number of wear cycle

3.4 耐磨損性能

圖9 為3 塊試樣的磨損失重率隨磨損次數(shù)的變化曲線。由圖可見，磨損次數(shù)達(dá)到500 次后，3塊試樣的磨損失重率分別為5.875%，5.667%和4.301%，涂層的耐磨損性能超過了傳統(tǒng)甲板防滑涂層［24］。而美軍標(biāo)MIL-PRF-24667C 要求輥涂甲板防滑涂料的磨損失重率小于40%［20］，由此看出該涂料的耐磨損性能高出美軍標(biāo)要求，性能優(yōu)異。從圖9 可以看出，涂層的磨損過程可劃分為初期磨損和穩(wěn)態(tài)磨損2 個(gè)階段［24］。第1 階段為磨損初始階段（循環(huán)磨損0～200 次），如圖10（a）所示，涂層的磨損失重率隨著磨損次數(shù)的增加呈現(xiàn)迅速上升的趨勢；在該階段，涂層表面局部凸起部分和磨件之間發(fā)生了接觸磨損，導(dǎo)致磨屑脫落，脫落下來的磨屑在切向壓力和法向壓力共同作用下劃傷涂層表面，導(dǎo)致涂層表面出現(xiàn)少量劃痕和較淺的犁溝。第2 階段為磨損穩(wěn)定階段（循環(huán)磨損200～500 次），如圖10（b）所示，隨著磨損次數(shù)的增加，涂層表面與磨件之間由點(diǎn)面接觸磨損逐漸變?yōu)槊婷娼佑|磨損，涂層表面的磨損形貌變得較為光滑，磨損過程變得平穩(wěn)，磨損失重率緩慢增加。由此可知，甲板防滑涂層與對磨件的滑動磨損機(jī)制主要是磨損初期的磨粒磨損和磨損穩(wěn)定階段的粘著磨損。

圖9 涂層磨損失重率隨磨損次數(shù)的變化曲線Fig.9 Variation of the wear loss rate of the coatings with the wear cycle

圖10 甲板防滑涂層磨痕表面三維形貌圖Fig.10 Three-dimensional topography of worn surface for the non-skid deck coatings

4 結(jié) 論

本文提出一種研制的三明治結(jié)構(gòu)新型高耐磨甲板防滑涂層，該涂層主要由聚氨酯改性環(huán)氧防銹底漆、防滑層和聚氨酯罩面面漆組成。對該防滑涂層的表觀、力學(xué)性能、防滑性能及其耐磨損性能進(jìn)行了測試分析，得到如下結(jié)論：

1）涂層表面呈脊、谷相間的粗糙紋理狀態(tài)，涂層磨損前表面平均紋理深度在1.10 mm 左右，隨著磨損次數(shù)的增加，涂層表面平均紋理深度整體呈下降的趨勢；磨損次數(shù)達(dá)500 次后，涂層表面平均紋理深度下降至0.7 mm 左右。

2）涂層的平均附著力為12.8 MPa，且涂層試樣斷裂主要發(fā)生在防滑層內(nèi)部，說明防滑層的內(nèi)聚力小于防滑層與底漆、底漆與基體之間的黏著力以及底漆之間的內(nèi)聚力；涂層樣品的抗沖擊性能均較好，沖擊25 次后的涂層試樣表面均未發(fā)現(xiàn)裂紋和塊狀剝落的現(xiàn)象，涂層的完好率為100%。

3）涂層在不同工況（干態(tài)、濕態(tài)、油態(tài)）下的摩擦系數(shù)隨著磨損次數(shù)的增加呈緩慢降低的趨勢，磨損前涂層試樣的干態(tài)摩擦系數(shù)約1.20；海水潤濕條件下，涂層表面的摩擦系數(shù)比干態(tài)摩擦系數(shù)略有下降，但仍然表現(xiàn)出較好的防滑性能；在3號航空煤油潤濕條件下，涂層的摩擦系數(shù)較干態(tài)和濕態(tài)的摩擦系數(shù)明顯下降，因?yàn)楹娇彰河驮谀Σ吝^程中起到了邊界潤滑作用。

4）涂層與磨件的磨損過程可劃分為初期磨損和穩(wěn)態(tài)磨損2 個(gè)階段；涂層的磨損失重率隨著磨損次數(shù)的增加呈現(xiàn)先迅速增加后緩慢上升，磨損500 次后，涂層的磨損失重率在5%左右，涂層表面出現(xiàn)少量劃痕和較淺的犁溝，表現(xiàn)出較好的耐滑動磨損性能；甲板防滑涂層與磨件的滑動磨損機(jī)制主要是磨損初期的磨粒磨損和磨損穩(wěn)定階段的粘著磨損。

本研究成果不僅能夠保證海洋結(jié)構(gòu)物的服役安全性，還可為新型甲板防滑涂層的開發(fā)與應(yīng)用提供理論依據(jù)，對于加速我國海軍現(xiàn)代化建設(shè)和提高部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力具有十分重要的軍事意義。