感應加熱對甲板防滑底漆粘接性能的影響

蔡嘉輝， 孫曉峰， 邱 驥， 宋 巍， 馬世寧

(裝甲兵工程學院裝備維修與再制造工程系， 北京 100072)

感應加熱對甲板防滑底漆粘接性能的影響

蔡嘉輝， 孫曉峰， 邱 驥， 宋 巍， 馬世寧

(裝甲兵工程學院裝備維修與再制造工程系， 北京 100072)

為研究感應加熱方法對甲板防滑底漆粘接性能的影響，利用傅里葉變換紅外光譜(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FT-IR)分析儀表征界面處底漆改性效果，借助同步熱分析儀研究底漆熱穩定性，通過電子萬能試驗機測試不同溫度下試樣的剪切強度。結果表明: 電磁感應使鋼板表面溫度升高，導致底漆失重分解并發生玻璃化轉變，粒子熱運動振幅增大，界面處極性官能團減少，配價鍵力減小，防滑底漆與鋼表面之間的粘接力減小；剪切強度隨溫度升高呈先快后慢的下降趨勢，在25～100 ℃范圍內下降了87.6%，而在100～175 ℃范圍內只下降了7.5%。

防滑底漆；粘接性能；感應加熱；紅外光譜；剪切強度

甲板防滑涂層是保護甲板免遭腐蝕、滿足車輛防滑以及艦載機起降作業等所需高摩擦因數、耐高溫、耐沖擊等特殊要求的有效措施之一[1]。但由于長時間暴露在海上惡劣的自然環境中，加之使用過程中一些人為因素的影響，艦用甲板涂層容易老化磨損，導致其無法滿足使用要求。相關技術資料顯示:美國海軍自2008年起采用電磁感應除漆技術，用于潛艇表面消聲瓦的去除修理及飛機跑道環氧金剛砂涂層的去除。

相比于傳統的除漆方法[2-5]，電磁感應除漆時在鋼板表面產生熱量，利用高溫破壞涂層與基體結合，使涂層翹起和剝落，具有安靜、快速、清潔和安全的特點。筆者以甲板通用防滑底漆為試驗對象，研究感應加熱對底漆粘接性能和化學成分的影響，以期為電磁感應除漆技術的機理研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及制備

甲板鋼10CrNi3MoV化學成分如表1所示。甲板防滑通用底漆為雙組分環氧樹脂(AFDC-D，海洋化工研究院)，其主要成分為雙酚A環氧樹脂，其中環氧樹脂與固化劑的質量比為4∶1。

根據GJB 444—1988膠粘劑高溫拉伸剪切強度試驗方法(金屬對金屬)的規定，首先，將甲板鋼線切割成100 mm×25 mm×2 mm的片狀試樣，試樣兩端各打一個直徑為7 mm的孔，試樣形狀與規格如圖1所示[6]；其次，用150#水磨砂紙打磨，并用丙酮清洗，以去除表面的污染物，用熱風吹干；最后，取一定量的環氧樹脂到膠碟中，再將對應質量比的固化劑加入膠碟攪拌，使其混合均勻，而后將攪拌均勻的甲板防滑底漆涂敷在表面經處理的鋼片表面，使二者粘在一起。膠接縫長度為12.5 mm，常溫下固化24 h[7]。

表1 甲板鋼10CrNi3MoV化學成分

圖1 試樣形狀與規格

1.2 表征手段與性能測試

紅外光譜由美國Thermo Fisher Scientific公司的Nicolet IS50傅里葉變換紅外光譜(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FT-IR)分析儀測定，波長范圍為350～7 800 cm-1，光譜分辨率優于0.09 cm-1，波數精度優于0.01 cm-1。為獲得底漆表層有機成分信息，采用衰減全反射(Attenuated Total Reflection，ATR)法。

采用德國NETZSCH公司的NETZSCH STA 409 PC/PG同步熱分析儀進行熱重分析(Thermal Gravimetric Analysis, TG)和差示掃描量熱(Differential Scanning Calorimetry，DSC)分析。工藝參數為：空氣氣氛，氣體流量為20 mL/min，升溫速率為10 ℃/min；甲板通用防滑底漆用量為7 mg，溫度范圍為40～300 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

按照GJB444—1988的要求，利用美國MTS公司MTS Exceed 40高溫電子萬能試驗機(如圖2所示)，測試25、50、75、100、125、150、175 ℃時剪切強度，設定萬能試驗機的拉伸速率為5 mm/min，每個溫度點平行測試5組，取平均值[6]。

2 結果與分析

2.1 FT-IR分析

圖2 電子萬能試驗機

圖3 感應加熱處理前后防滑底漆FT-IR圖譜

2.2 熱穩定性

防滑底漆的TG曲線和DTG(Differential Thermal Gravity)曲線如圖4所示。由TG曲線可以看出：當溫度低于80 ℃時，TG曲線并無下降的趨勢，這是因為樣品外表面對氣體的物理和化學吸附作用與樣品揮發作用相抵消；當溫度高于80 ℃時，TG曲線呈現下降趨勢，這是因為樣品中水分、易揮發的有機物及吸附的小分子物的揮發速度大于樣品對氣體的吸附速度。由DTG曲線可以看出：溫度在80～140 ℃之間時，失重速率增加，表明樣品中揮發成分加速析出；140 ℃后失重速率下降，主要是因為樣品中易揮發物質含量降低；205 ℃后失重速率再次回升，在該失重區內除發生端基消除外，還含有較多未參與固化的低分子質量的組分[10]。

圖4 防滑底漆的TG曲線和DTG曲線

防滑底漆的DSC曲線如圖5所示，可以看出：防滑底漆的玻璃化轉變溫度Tg=120.1 ℃。當溫度超過Tg時，分子熱運動的能量已經足以克服旋轉的能壘，這時鏈段運動被激發，甚至部分鏈段發生滑移；高分子鏈段的運動會破壞已形成的配價鍵，進一步降低剪切強度[11]。

圖5 防滑底漆的DSC曲線

2.3 溫度對剪切強度的影響

剪切強度隨溫度的變化如圖6所示。可以看出：25 ℃時剪切強度為12.6 MPa，100 ℃時僅為1.71 MPa，下降了87.6%；溫度大于100 ℃后，剪切強度下降緩慢，175 ℃時剪切強度為0.64 MPa，較100 ℃時下降了7.5%。剪切強度隨溫度的這種變化趨勢，其原因主要有以下2點：1)在25～100 ℃范圍內，每個粒子的熱能隨著溫度的升高而增大，導致振幅也隨之增大，大量粒子的間距超過配價鍵力和范德華力的作用范圍，結合強度迅速下降；2)溫度超過100 ℃后，因粒子振幅進一步增大，大部分配價鍵力和范德華力消失，伴隨著構成粘接力來源的羥基等極性基團的端基消除反應，剪切強度緩慢下降[12-14]。

圖6 剪切強度隨溫度的變化

3 結論

利用FT-IR分析儀表征了界面處底漆改性效果，借助同步熱分析儀研究了底漆熱穩定性，并通過電子萬能試驗機測試了不同溫度下試樣的剪切強度。結果表明：極性基團的含量對粘接強度起主要作用，電磁感應引起鋼板表面溫度迅速升高，粒子熱運動振幅超過范德華力和配價鍵力作用范圍，粘接強度下降；同時界面處極性官能團減少，底漆失重分解并發生玻璃化轉變。下一步,可根據這一機理指導電磁感應除漆相關工藝參數的優化，在最合適的功率下達到最佳的除漆效果。

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(責任編輯: 尚菲菲)

Effect of Electromagnetic Induction on the Bonding Property of Nonskid Primer on Deck

CAI Jia-hui, SUN Xiao-feng, QIU Ji, SONG Wei, MA Shi-ning

(Department of Equipment Remanufacture Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

To study the effect of induction heating on the bonding property of nonskid primer on deck, the Fourier Transform Infrared Spectroscopy(FT-IR)analyzer is used to indicate the modification effect of interface primer, the thermal stability of nonskid primer is measured by synchronous thermal analyzer, and the shear strength between nonskid primer and steel plate is tested with a universal electronic testing machine under different temperatures. Results show that the high temperature caused by induction heating leads to weight loss of steel plate surface and decomposition of nonskid primer, increase of thermal motion amplitude of particles, decrease of coordinate force and reduction of polar functional groups at the interface and decrease of bonding force between nonskid primer and steel surface. The shear strength decreases rapidly and then slower as temperature increases. It decreases by 87.6% in the temperature range of 25-100 ℃ while only 7.5% in the range of 100-175 ℃.

nonskid primer; bonding property; induction heating; infrared spectroscopy; shear strength

1672-1497(2016)05-0091-04

2016-05-31

軍隊科研計劃項目

蔡嘉輝(1991-)，男，碩士研究生。

TQ637.2

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.05.019