張陸 孫漢軍 史興輝 陳酒姜

(1.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司系統(tǒng)工程研究院 北京 100036)

(2.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)

為了減小水下目標(biāo)的聲散射，通常會(huì)在水下航行器表面敷設(shè)聲學(xué)覆蓋層。 橡膠材料具有比其他吸聲材料更加出色的吸收和損耗聲波的能力[1]，是聲學(xué)覆蓋層的首選材料[2]。 為了保障橡膠的使用性能和使用壽命，需要對(duì)橡膠制品進(jìn)行防護(hù)或抗老化改性。 其中，表面涂層法因不改變橡膠的本體性能且施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，受到了越來(lái)越多科研工作者的關(guān)注。 理想的聲學(xué)覆蓋層用防護(hù)材料要求聲波入射后無(wú)損耗地通過，因此防護(hù)材料的特性阻抗應(yīng)與海水相匹配，同時(shí)衰減常數(shù)要盡可能小。

噴涂聚脲彈性體技術(shù)是為適應(yīng)環(huán)保需求而研制開發(fā)的一種新型無(wú)溶劑快速施工技術(shù)，具有無(wú)溶劑、快速固化、物理性能優(yōu)異等特點(diǎn)，該技術(shù)被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于材料和設(shè)備防護(hù)等領(lǐng)域[3~6]。 本工作以噴涂聚脲彈性體技術(shù)為依托，通過配方設(shè)計(jì)，制備了一種聲學(xué)覆蓋層用彈性防護(hù)涂層，表征了其基本力學(xué)性能和耐環(huán)境性能，并研究了阻燃劑用量對(duì)材料阻燃性能和力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料和儀器設(shè)備

液化MDI(CDMDI-100L)，萬(wàn)華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司；聚己內(nèi)酯二醇(PCL-2102，Mn＝1 000)，湖南聚仁化工新材料有限公司；端氨基聚醚(CAD-2000、CAT-5000)，揚(yáng)州晨化新材料股份有限公司；二乙基甲苯二胺(E-100)，河南雷佰瑞新材料科技有限公司；阻燃劑NP0836，青島歐普瑞新材料有限公司。 以上均為工業(yè)級(jí)。

Eurostar 60 digital 型懸臂式強(qiáng)力電動(dòng)攪拌機(jī)，德國(guó)IKA 公司；LMZ 0.5 型臥式砂磨機(jī)，德國(guó)耐馳公司；H-XP3 型雙組分聚脲噴涂機(jī)、GX7-DI 型機(jī)械自清潔噴槍，美國(guó)GRACO 公司；E43 型電子拉力機(jī)，美國(guó)美特斯工業(yè)系統(tǒng)公司；GFX-9075 型烘箱，上海天辰現(xiàn)代環(huán)境技術(shù)有限公司；PR-80 型高低溫濕熱試驗(yàn)箱，廣東宏展科技有限公司；FQY025 型鹽霧腐蝕試驗(yàn)儀，上海實(shí)驗(yàn)儀器總廠；QUV/spray 型紫外光老化機(jī)，翁開爾(上海)國(guó)際貿(mào)易公司；BK 4206 型阻抗管，丹麥B＆K 聲學(xué)和振動(dòng)測(cè)量公司；IRY 系列HC-2 型氧指數(shù)測(cè)定儀，江寧分析儀器廠。

1.2 噴涂聚脲彈性體的制備

噴涂聚脲彈性體的基本實(shí)驗(yàn)配方見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)配方

A 組分制備:根據(jù)表1 配方，將CDMDI-100L 加入到反應(yīng)釜中，60 ℃攪拌30 min 后加入PCL-2102，持續(xù)攪拌，待溫度穩(wěn)定后緩慢升溫到85 ℃。 控溫在80~90 ℃反應(yīng)3 h。 反應(yīng)完畢后測(cè)定NCO 含量，滿足要求后過濾、出料，充氮?dú)饷芊鈨?chǔ)存。

B 組分制備:根據(jù)表1 配方，將CAD-2000、CAT-5000、E-100、阻燃劑、色漿、抗氧劑、紫外線穩(wěn)定劑等加入到調(diào)漆罐中，使用高速攪拌機(jī)攪拌分散，分散完

畢后使用砂磨機(jī)研磨至細(xì)度50 μm 以下， 過濾出料，充氮?dú)饷芊獗４妗?/p>

噴涂聚脲彈性體材料制備:使用120 目砂紙打磨準(zhǔn)備好的試樣，要求打磨均勻，無(wú)遺漏；用抹布蘸溶劑(丙酮、丁酮等)將打磨好的試樣擦洗干凈，晾干；在試樣表面均勻涂裝一道橡膠專用底漆，在試樣表面噴涂聚脲彈性體材料；噴涂完畢后，將試樣放置在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下(溫度(23±2)℃、濕度(50±5)%)養(yǎng)護(hù)7 d，然后進(jìn)行力學(xué)性能、附著力等測(cè)試。

噴涂時(shí)主機(jī)主要參數(shù)設(shè)定:液壓壓力13.79~17.24 MPa(2 000~2 500 psi)，主加熱溫度65 ℃，A料溫度70 ℃，B 料溫度65 ℃，A、B 組分的混合體積比為1 ∶1。

1.3 分析測(cè)試

噴涂聚脲的凝膠時(shí)間依據(jù)GB/T 23446—2009測(cè)試；表干時(shí)間依據(jù)GB/T 1728—2020 測(cè)試；拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率依據(jù)GB/T 528—2009 測(cè)試；撕裂強(qiáng)度依據(jù)GB/T 529—2008 測(cè)試；附著力依據(jù)GB/T 5210—2006 測(cè)試，與聲學(xué)覆蓋層橡膠，有底漆；常壓下噴涂聚脲的透聲系數(shù)依據(jù)GB/T 3674—2019測(cè)試；熱空氣老化依據(jù)GB/T 3512—2014 測(cè)試，測(cè)試條件:100 ℃、100 h；濕熱試驗(yàn)依據(jù)GB/T 1740—2007 進(jìn)行，測(cè)試時(shí)間2 000 h；鹽霧環(huán)境腐蝕依據(jù)GB/T 1771—2007 測(cè)試，測(cè)試時(shí)間3 000 h；紫外老化依據(jù)GB/T 14522—2008 測(cè)試，測(cè)試時(shí)間2 000 h；耐海水腐蝕性能在常溫常壓下測(cè)試，測(cè)試時(shí)間1 年；阻燃性能依據(jù)GB/T 2406.3—2022 測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 基本理化性能

按照噴涂聚脲彈性體材料的一般性能要求，并結(jié)合聲學(xué)覆蓋層的使用環(huán)境要求，對(duì)聚脲材料的基本理化性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表2 所示。

表2 聚脲彈性材料的基本理化性能

由表2 可知，噴涂聚脲彈性體材料的凝膠時(shí)間為8 s，表干時(shí)間為15 s，固化速度快，在滿足指標(biāo)要求的同時(shí)，可以提高涂裝現(xiàn)場(chǎng)施工效率；噴涂聚脲彈性體材料的拉伸強(qiáng)度為18.7 MPa、撕裂強(qiáng)度為87 kN/m，均高于指標(biāo)要求，作為表面防護(hù)涂層時(shí)，可以為聲學(xué)覆蓋層提供有效的保護(hù)，提高了聲學(xué)覆蓋層的使用壽命；聚脲材料與聲學(xué)覆蓋層橡膠的附著力為5.5 MPa，大于指標(biāo)要求的3.2 MPa，保證了防護(hù)材料在水聲環(huán)境中性能的發(fā)揮。

2.2 聲學(xué)性能

按照聲學(xué)透聲系數(shù)測(cè)試方法，制備了Φ56 mm的聲學(xué)覆蓋層測(cè)試樣件，在其表面分別噴涂厚度1.0 mm 和1.5 mm 的聚脲材料，測(cè)定常壓下透聲系數(shù)。測(cè)試結(jié)果如圖1 所示。

圖1 聚脲保護(hù)層對(duì)聲學(xué)材料透聲系數(shù)的影響

由圖1 可知，噴涂聚脲前后試樣的透聲系數(shù)無(wú)明顯變化，說(shuō)明聚脲材料的透聲性能好，不會(huì)影響聲學(xué)覆蓋層材料的性能。 噴涂厚度1.0 mm 和1.5 mm聚脲的試樣，其透聲系數(shù)無(wú)明顯變化，說(shuō)明聚脲材料透聲性能與厚度無(wú)明顯關(guān)系。 測(cè)試結(jié)果表明，噴涂聚脲彈性體材料與聲學(xué)覆蓋層材料以及海水的匹配性較好，是一種性能優(yōu)異的透聲材料，適合于作為聲學(xué)覆蓋層的表面防護(hù)涂層，使用過程中不會(huì)對(duì)聲學(xué)覆蓋層聲學(xué)性能的發(fā)揮產(chǎn)生不良影響。

2.3 耐環(huán)境性能

海洋上常遇到高溫、高濕和高鹽等惡劣環(huán)境，針對(duì)海洋環(huán)境和實(shí)際使用工況對(duì)涂裝了聚脲防護(hù)材料的聲學(xué)覆蓋層材料進(jìn)行耐熱空氣老化性能、耐濕熱性能、耐鹽霧性能、耐人工氣候加速老化性能以及耐海水浸泡性能等耐環(huán)境性能測(cè)試，結(jié)果見表3。

表3 聚脲材料的耐環(huán)境性能

由表3 可見，聚脲材料分別進(jìn)行熱空氣老化和濕熱試驗(yàn)后，拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度都有一定的提高，斷裂伸長(zhǎng)率略有下降，這是因?yàn)榫垭逯惺Ｓ嗟姆磻?yīng)基團(tuán)在高溫環(huán)境中得以進(jìn)一步反應(yīng)，熱空氣老化和濕熱試驗(yàn)的過程相當(dāng)于對(duì)聚脲材料進(jìn)行了后熟化，提高了材料的強(qiáng)度，同時(shí)聚脲與聲學(xué)覆蓋層橡膠的附著力也有一定的提高。 聚脲材料在分別經(jīng)過3 000 h 鹽霧試驗(yàn)和2 000 h 的人工氣候模擬試驗(yàn)后，基本力學(xué)性能和層間附著力的保持率均在85%以上，性能保持率高。 聚脲材料海水浸泡1 年后，基本力學(xué)性能和層間附著力保持率均在80%及以上，可以滿足使用要求。 以上數(shù)據(jù)表明，制備的彈性防護(hù)涂料具有優(yōu)異的耐環(huán)境性能，在高濕、高鹽及高紫外的海洋環(huán)境中使用后性能保持率高。 作為彈性防護(hù)涂層使用時(shí)，該材料可以為聲學(xué)覆蓋層提供有效的防護(hù)。

2.4 噴涂聚脲彈性體材料的阻燃改性

B 組分中固體粉末阻燃劑NP0836 添加量對(duì)材料的阻燃性能和力學(xué)性能的影響如表4 所示。

表4 阻燃改性前后聚脲材料性能

從表4 可以看出，聚脲材料在未進(jìn)行阻燃改性前氧指數(shù)為16，沒有阻燃性。 添加固體阻燃劑后，聚脲材料的阻燃性能有明顯改進(jìn)，并且隨著阻燃劑含量的逐漸增多，氧指數(shù)也不斷提高，當(dāng)B 組分中阻燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，聚脲材料氧指數(shù)可以達(dá)到27，基本達(dá)到難燃級(jí)別的要求。 由表4 還可知，添加阻燃劑后降低了聚脲材料的力學(xué)性能，阻燃劑含量越多，力學(xué)性能下降越明顯；添加阻燃劑對(duì)附著力影響不大，最低為4.6 MPa，不影響其防護(hù)性能的發(fā)揮。

3 結(jié)論

(1)在力學(xué)性能等方面，噴涂聚脲彈性體材料可以為聲學(xué)覆蓋層提供有效防護(hù)，避免外力對(duì)其造成破壞。

(2)在聲學(xué)性能方面，噴涂聚脲彈性體材料透聲性能優(yōu)異，涂裝后不會(huì)影響聲學(xué)覆蓋層材料聲學(xué)性能的發(fā)揮。

(3)在耐環(huán)境性能方面，噴涂聚脲彈性體材料具有優(yōu)異的耐海洋“三高”環(huán)境性能、耐紫外老化以及耐海水浸泡性能，可以滿足聲學(xué)覆蓋層在海洋環(huán)境下的防護(hù)要求。

(4)添加固體阻燃劑后可以有效提高聚脲材料的阻燃性能；隨著阻燃劑用量的增多，聚脲材料力學(xué)性能下降，但仍能滿足應(yīng)用要求。