戚 鵬，劉洪源

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

0 引言

當(dāng)前，某產(chǎn)品外表面防熱涂層的涂裝主要采用自動(dòng)噴涂為主、手工刮涂為輔的工藝進(jìn)行施工，生產(chǎn)過程需添加大量的有機(jī)溶劑進(jìn)行稀釋后才能滿足噴涂條件。噴涂及涂層固化過程中，伴隨著大量的溶劑揮發(fā)，廢氣排放量很大，廢氣排放環(huán)保治理問題突出。

國(guó)家“十三五”規(guī)劃已將涂料VOC 納入環(huán)?？偭靠刂浦笜?biāo)，高VOC 涂料的使用將面臨嚴(yán)厲的環(huán)保管制，同時(shí)，高溶劑型涂料的噴涂隨時(shí)面臨停產(chǎn)或限產(chǎn)。現(xiàn)有噴涂工藝存在較大的危害人員健康及環(huán)保治理隱患，急需開展高固含涂料的自動(dòng)刮涂工藝研究，大幅減少有機(jī)溶劑的使用量。

1 研究技術(shù)方案

1.1 自動(dòng)刮涂系統(tǒng)技術(shù)方案（見圖1）

圖1 自動(dòng)刮涂系統(tǒng)技術(shù)方案

1.2 自動(dòng)刮涂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

自動(dòng)刮涂系統(tǒng)工藝尤其適用于圓筒形工件自動(dòng)刮涂。臥式夾持旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由車體、工件驅(qū)動(dòng)支撐卡爪、工件從動(dòng)支撐卡爪、驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)等組成。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)兩端都配備有四爪調(diào)心卡盤，方便不同直徑的工件進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足產(chǎn)品的多樣性的需求。試驗(yàn)用自動(dòng)刮涂系統(tǒng)樣機(jī)如圖2 所示。

圖2 試驗(yàn)用自動(dòng)刮涂系統(tǒng)樣機(jī)

當(dāng)開始刮涂工件時(shí)，安裝在調(diào)節(jié)軸上的刮板機(jī)構(gòu)在調(diào)節(jié)到適當(dāng)位置后，由三維行走機(jī)構(gòu)根據(jù)設(shè)定的程序，將涂料刮涂到工件表面。

可編程控制器PLC 是整個(gè)電氣控制系統(tǒng)的主要部分，主要承擔(dān)系統(tǒng)的信號(hào)處理、控制運(yùn)算等任務(wù)。控制程序中設(shè)有相關(guān)設(shè)備的互鎖及連動(dòng)邏輯時(shí)序，以實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

1.3 刮涂姿態(tài)控制工藝

1.3.1 刮板接觸工件位置試驗(yàn)

在工件側(cè)方向同時(shí)進(jìn)行涂覆與刮涂時(shí)，通過刮板傾角流到工件表面并同時(shí)受到刮板擠壓，涂層附著力效果最好，同時(shí)水平可操控性良好，便于控制，涂層表面無明顯缺陷，如圖3 所示。

圖3 側(cè)面涂覆與刮涂同步

1.3.2 刮板接觸工件角度試驗(yàn)

為了保證涂料的流動(dòng)性及留有可操作的間隙，防止涂料持續(xù)流出，外流浪費(fèi)并污染涂層表面，選擇60°與45°進(jìn)行試驗(yàn)。

如圖4 與圖5 所示，無論60°或45°接觸角，在首次刮涂時(shí)，由于刮板堆料的需要，在邊緣都會(huì)產(chǎn)生一定留掛，但隨著刮涂繼續(xù)，45°接觸角由于傾角大，相對(duì)涂料流速較快，涂料擠壓力大，適應(yīng)更快的工件轉(zhuǎn)速與刮板行走速度。

圖4 刮板與工件不同接觸角

圖5 刮涂效果圖

1.4 自動(dòng)刮涂工藝參數(shù)優(yōu)化

1.4.1 刮涂用涂料溶劑比例優(yōu)化

刮涂用涂料與噴涂用涂料相比，由于溶劑比例小，其固化速度相對(duì)較快。為了確定可用的較優(yōu)的涂料黏度，分別使用不同的溶劑比例來配置防熱涂料，并測(cè)量其黏度變化。

根據(jù)表1 試驗(yàn)可知，隨著涂料中溶劑比例增大，其固化時(shí)間隨之變長(zhǎng)；初始黏度中，30%與50%溶劑體積分?jǐn)?shù)的涂料黏度過低，留掛嚴(yán)重，無法有效附著在產(chǎn)品表面；在刮涂1.5 h 后，10%溶劑比例涂料黏度達(dá)到150 000 mPa·s，其刮涂效果見圖6，附著力下降，表面破損嚴(yán)重；而2 h 后，10%溶劑體積分?jǐn)?shù)涂料已經(jīng)固化，無法測(cè)量其黏度。

表1 不同溶劑比例下防熱涂料黏度變化

圖6 10%溶劑防熱涂層靜置1.5 h 后刮涂效果

因此，選擇10%～12%溶劑體積分?jǐn)?shù)的防熱涂料作為刮涂用涂料配比，涂料使用時(shí)間確定在1.5 h 以內(nèi)。

1.4.2 供料壓力參數(shù)優(yōu)化

供料泵壓力是影響防熱涂料擠出量的主要因素。擠出量應(yīng)根據(jù)刮板規(guī)格尺寸以及行走速度等因素協(xié)同控制，避免浪費(fèi)。在實(shí)際施工中，涂料擠出量與擠出嘴口徑、涂料特性、供料壓力差相關(guān)，如公式（1）所示：

式中：Q 為流量，m3/s；μ 為流量系數(shù)，與閥門或管子的形狀有關(guān)，一般管路取0.6～0.65；A為面積，m2；p 為通過閥門前后的壓力差，在此指涂料壓力，Pa；ρ 為流體的密度，kg/m3；d 為噴嘴孔徑，mm。

從式（1）可以看出，針對(duì)特定防熱涂料，在選定擠出嘴的情況下，工作壓力決定了出料流量。

通過試驗(yàn)，最終制定適宜的供料壓力為0.7 MPa，防熱涂料出料量約400 g/min。

1.4.3 刮涂系統(tǒng)工藝參數(shù)優(yōu)化

自動(dòng)刮涂系統(tǒng)所需要設(shè)定的主要工藝參數(shù)包括工件轉(zhuǎn)速、刮板行走速度、循環(huán)步退距離、循環(huán)間隔時(shí)間以及首次進(jìn)入延時(shí)時(shí)間等。

工件轉(zhuǎn)速：工件轉(zhuǎn)速需要與刮板行走速度相配合，刮涂轉(zhuǎn)速3～6 r/min。

刮板行走速度：刮板行走速度1.2～2.4 mm/s。

刮板循環(huán)步退距離：每次刮涂的循環(huán)步退距離不超過1 mm。

循環(huán)刮涂間隔時(shí)間：為了保證涂層與上一遍涂層產(chǎn)生一定結(jié)合力，刮涂結(jié)束后晾置15～30 min 后再進(jìn)行下一遍刮涂。

首次刮涂起始延時(shí)：在初次進(jìn)行刮涂時(shí)，為方便出料嘴供料，初次刮涂起始延時(shí)為6～10 s。

2 典型樣件刮涂及工藝穩(wěn)定性驗(yàn)證

2.1 簡(jiǎn)單直筒與復(fù)雜凸筒刮涂驗(yàn)證

為了驗(yàn)證刮涂可行性及長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性，制作了典型樣件進(jìn)行初步工程應(yīng)用。根據(jù)生產(chǎn)情況，制作了簡(jiǎn)單直筒與復(fù)雜凸筒，如圖7 所示。

圖7 典型產(chǎn)品模擬樣件

簡(jiǎn)單直筒與復(fù)雜凸筒都用采用鋁型材卷制而成，其中凸起物4 塊居中鉚接而成。按照優(yōu)化的工藝參數(shù)進(jìn)行刮涂，總計(jì)試驗(yàn)用時(shí)約3 h，其中刮涂時(shí)間約2 h，配料及其他用時(shí)約1 h。共計(jì)配料40 kg，其中使用涂料36 kg，有機(jī)溶劑4 kg。

具體生產(chǎn)方式為每刮涂2 次，使用2 次剩余涂料刮涂第3 次。每刮涂完3 次后，不進(jìn)行步退，不送料的空刮一次，以增加涂層結(jié)合力，去除表面多余留掛?？展谓Y(jié)束后，清洗管路、出料嘴與料缸。后繼，重復(fù)上述步驟。

涂層固化后，使用機(jī)加工方式對(duì)外表面涂層進(jìn)行切削處理。

加工后產(chǎn)品如圖8 與圖9 所示，涂層結(jié)合完好，未出現(xiàn)脫粘或開裂等現(xiàn)象。

圖8 刮涂后的直筒模擬樣件

圖9 刮涂后的直筒模擬樣件

2.2 刮涂工藝涂層性能考核

2.2.1 力學(xué)性能考核

拉拔后的涂層在基材表面殘存涂層，證明結(jié)合良好。涂層拉拔結(jié)合強(qiáng)度大于1 MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 隔熱性能考核

根據(jù)設(shè)定的熱流曲線，分別對(duì)4 塊試片（噴涂方式2 塊，刮涂方式2 塊）進(jìn)行石英燈燒蝕試驗(yàn)，測(cè)量背溫，如圖10 所示。

圖10 試片燒蝕背溫曲線

由圖10 可知，約60 s 后自動(dòng)刮涂工藝制備的3#、4# 試片背溫情況始終低于自動(dòng)噴涂工藝制備的1#、2#試片，最高相差約25 ℃。

比較燒蝕后的涂層外觀，自動(dòng)刮涂工藝制備的3#、4#試片碳化情況明顯較少，涂層表觀優(yōu)于自動(dòng)噴涂工藝制備的1#、2#試片。

3 結(jié)論

相對(duì)自動(dòng)噴涂工藝含有體積分?jǐn)?shù)為50%～60%的溶劑量，大面積硅橡膠防熱涂層自動(dòng)刮涂工藝減少到10%左右，刮裝工藝所需的汽油等溶劑用量大幅度降低，提高涂料利用率和單遍涂層有效厚度，節(jié)約成本，提高工作效率。危廢處理成本能夠降低70%以上，安全性、環(huán)保性大大提高，且符合國(guó)家環(huán)保部門未來發(fā)展規(guī)劃。通過工藝研究，取得了一系列成果。

1）操作者通過電控柜對(duì)整體刮涂系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控與更改，方便操作，利于大規(guī)模批生產(chǎn)。

2）通過對(duì)刮板與工件間接觸姿態(tài)進(jìn)行分析，確定側(cè)面45°接觸角的刮涂姿態(tài)。

3）通過開展不同溶劑添加含量，涂料黏度變化規(guī)律以及刮涂效果的研究，確定了10%～12%的溶劑體積分?jǐn)?shù)，0.7 MPa 的供料壓力工藝參數(shù)。

4）通過刮涂涂層的力學(xué)性能與隔熱性能考核。

5）編寫工藝指導(dǎo)資料，指導(dǎo)生產(chǎn)。