粘度對(duì)紅外低發(fā)射率灰色涂層性能的影響

李 衛(wèi)，徐國(guó)躍，劉 寧，孟 雪，曾祥雄，尤玲麗

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粘度對(duì)紅外低發(fā)射率灰色涂層性能的影響

李 衛(wèi)1,2，徐國(guó)躍1,2，劉 寧1,2，孟 雪1,2，曾祥雄1,2，尤玲麗1,2

（1. 南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210016； 2. 江蘇省先進(jìn)無(wú)機(jī)功能復(fù)合材料協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210016）

選擇不同粘度的料漿制得涂層，探究粘度對(duì)于涂層各性能的影響。對(duì)制得的涂層進(jìn)行表面觀察，采用發(fā)射率儀、色差儀及光澤度儀分別對(duì)其發(fā)射率、明度及光澤度進(jìn)行測(cè)試，并采用SEM對(duì)涂層表面形貌進(jìn)行分析，最后測(cè)試涂層的力學(xué)及耐鹽霧性能。結(jié)果表明：當(dāng)料漿粘度在15～20s時(shí)，涂層表面狀況較好，鋁粉可以被炭黑粒子均勻地覆蓋，涂層明度約為53，光澤度低至6.5，改變顏色的同時(shí)仍滿足低發(fā)射率的要求，約為0.14，且涂層具有優(yōu)異的力學(xué)性能及耐鹽霧性能。

粘度；發(fā)射率；明度；光澤度；炭黑粒子

0 引言

紅外低發(fā)射率涂層對(duì)紅外光線具有高反射、低吸收的特點(diǎn)，可有效隔絕熱量傳輸路徑，在室內(nèi)控溫、紅外隱身等民用和國(guó)防領(lǐng)域有較大的應(yīng)用前景[1-2]。涂層主要由有機(jī)粘合劑和功能顏料構(gòu)成，粘合劑主要影響涂層的力學(xué)性能及耐環(huán)境性能[3]，聚氨酯樹脂由于其優(yōu)異的力學(xué)及耐環(huán)境性能較適合作為紅外隱身涂層的粘合劑[4]；功能顏料通常為片狀金屬粉體，多選用性能優(yōu)異、廉價(jià)易得的鋁粉[5]，鋁粉賦予涂層低發(fā)射率但同時(shí)高光澤、色度單一的特點(diǎn)，不利于實(shí)際應(yīng)用，而加入炭黑顏料可有效降低鋁粉涂層的光澤度和明度。根據(jù)已報(bào)道的研究，劉凱等[6]采用添加納米著色顏料的方法，在低發(fā)射率銀色涂層的基礎(chǔ)上制備出色度可調(diào)的低光澤、低明度及低紅外低發(fā)射率涂層，對(duì)于紅外及可見(jiàn)光兼容隱身涂層的設(shè)計(jì)具有重要的意義。

涂層的發(fā)射率、顏色及光澤度主要依賴于功能顏料的濃度和涂層的表面形貌[7-8]，而粘度對(duì)于涂層的性能及表面形貌有重要的影響，Buss[9]研究了不同的料漿粘度及溶劑揮發(fā)速率，會(huì)導(dǎo)致表干過(guò)程中顏料不同的分布情況，袁樂(lè)[10]研究了粘合劑的粘度也是決定涂層紅外發(fā)射率的因素之一，因此若想使涂層同時(shí)具備低發(fā)射率、低光澤及穩(wěn)定的顏色，須控制料漿粘度在合理的范圍，而料漿粘度對(duì)色度與低發(fā)射率兼容涂層性能的影響研究鮮有報(bào)道。

本文選用炭黑顏料/鋁粉/聚氨酯體系，重點(diǎn)探究了粘度對(duì)于灰色系低發(fā)射率涂層性能的影響，用掃描電子顯微鏡對(duì)這一機(jī)理作了探究，并得到了料漿粘度合理的控制范圍。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

片狀鋁粉，自制；納米級(jí)炭黑顏料，PU-8樹脂，蘇州世名科技股份有限公司；中海油常州涂料化工研究院；N-3375，德國(guó)拜耳乙酸丁酯；分析純，南京化學(xué)試劑有限公司。

1.2 涂層制備

依次將鋁粉、PU-8樹脂混合并攪拌均勻，超聲粉碎2min，加入N-3375固化劑，用乙酸丁酯調(diào)節(jié)料漿粘度（10s；15s；20s；25s；涂-4杯粘度計(jì)測(cè)得），噴涂于鋁板上（基板經(jīng)過(guò)砂紙打磨，水洗，烘干處理）。因涂層的厚度對(duì)于力學(xué)性能影響比較大，實(shí)驗(yàn)中控制涂層厚度在40～60mm之間，表干之后置于80℃鼓風(fēng)干燥箱中10h固化。

1.3 分析表征

1）8～14mm波段的紅外發(fā)射率：IR-2雙波段發(fā)射率測(cè)量?jī)x，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所。

2）光澤度：JKGZ-206085三角度光澤度儀，測(cè)量角度為60°。

3）色度：X-rite RM200QC，D65光源，氧化鎂作為白板校準(zhǔn)。

4）微觀形貌：場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，Hitachi S4800。

2 結(jié)果與討論

2.1 粘度對(duì)涂層表面狀況的影響

4種不同粘度的料漿噴涂后制得的涂層如圖1所示，涂層在15s和20s的粘度下制得的涂層表面狀況良好，無(wú)浮色發(fā)花等現(xiàn)象。而在粘度10s的條件下，出現(xiàn)了發(fā)花流掛的現(xiàn)象，在粘度25s的條件下，涂層表面變得粗糙，符合噴涂施工的規(guī)律。

2.2 粘度對(duì)涂層發(fā)射率的影響

由表1可知，當(dāng)料漿粘度在15s及20s時(shí)，涂層的紅外發(fā)射率均低于0.15，基本滿足工程上應(yīng)用，而當(dāng)粘度在10s及25s時(shí)，涂層的發(fā)射率驟然增大，分別為0.20和0.28左右，這是因?yàn)楫?dāng)粘度較低時(shí)，料漿相對(duì)含有較多的有機(jī)溶劑，在表干固化后大部分溶劑揮發(fā)，會(huì)導(dǎo)致涂層的厚度較小，而涂層厚度與發(fā)射率呈反比例關(guān)系[11]；當(dāng)粘度較大時(shí)，由圖1及分析可知，涂層的表面較為粗糙，造成紅外光線的鏡面反射減少，使得發(fā)射率增大。

圖1 不同粘度下涂層的表面狀況

表1 不同粘度下涂層8～14mm的紅外發(fā)射率

2.3 粘度對(duì)涂層明度及光澤度的影響

涂層的明度*（*表示色彩的亮度，*和*分別表示紅綠色相、黃藍(lán)色相[12]。炭黑色漿僅調(diào)節(jié)涂層明度*，*與*變化不明顯，在此不予討論）和光澤度由表2所示。對(duì)于可見(jiàn)光紅外兼容隱身涂層除應(yīng)具有較低的發(fā)射率，還應(yīng)具有較低的明度及光澤度。在15s和20 s的粘度下，涂層明度*在53左右，光澤度在6.5左右，此時(shí)炭黑粒子均勻地覆蓋在鋁粉表面，在低紅外發(fā)射率的同時(shí)對(duì)可見(jiàn)光具有較大的吸收，使得涂層明度和光澤度較低。當(dāng)粘度為10s及25s時(shí)，光澤度分別增大至9.31和7.63，明度均升高至60左右，這是因?yàn)楫?dāng)粘度較大時(shí)，噴涂出的顏料易成顆粒狀，鋁粉和炭黑顏料無(wú)法在溶劑的作用下定向排列，使得鋁粉而裸露出來(lái)；當(dāng)粘度較小時(shí)，根據(jù)費(fèi)克（Fick）定律[13]，A組分的分子擴(kuò)散速率與濃度梯度成正比，溶劑的濃度大擴(kuò)散快，鋁粉在溶劑產(chǎn)生浮力的作用下大部分排列在涂層表面[8]也無(wú)法均一地被炭黑粒子覆蓋，使涂層明度和光澤度均較大，這不利于達(dá)到可見(jiàn)光紅外兼容隱身的效果。

表2 不同粘度下涂層的色度及光澤度

2.4 涂層微觀結(jié)構(gòu)分析

如圖2所示，可以看出，低粘度和高粘度的情況下，與前文分析一致，鋁粉裸露在涂層表面，表面也較為粗糙，炭黑顏料未能均勻地覆蓋，粘度在20s時(shí)涂層的SEM如圖3所示，此時(shí)，鋁粉被炭黑顏料均勻地覆蓋，使得涂層的發(fā)射率、明度及光澤度均呈現(xiàn)較好的性能。

圖2 低粘度與高粘度下涂層表面SEM圖

圖3 涂層表面SEM圖（20s）

2.5 涂層力學(xué)性能及耐鹽霧性能測(cè)試

對(duì)粘度為15s及20s制得的涂層進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，如表3所示。兩種粘度下的涂層有同樣優(yōu)異的附著力和柔韌性，而粘度15s制得的涂層硬度和耐沖擊性能略好于20s制得的涂層，這可能是因?yàn)殇X粉在粘度較低時(shí)有著較好的定向排列，表面較平整致密的原因。總體來(lái)看涂層的力學(xué)性能可維持較好的水平，滿足工程應(yīng)用。

表3 涂層力學(xué)性能測(cè)試

鹽霧中由于Cl-有較小的半徑及水和能，因此穿透力強(qiáng)[14-15]，當(dāng)Cl－到達(dá)鋁粉顆粒表面時(shí)，鋁粉表面在電解質(zhì)的作用下發(fā)生電化學(xué)腐蝕，破壞涂層結(jié)構(gòu)并導(dǎo)致發(fā)射率升高。根據(jù)GB/T1771-2007對(duì)涂層進(jìn)行耐中性鹽霧腐蝕測(cè)試240h，結(jié)果如表4所示。由于納米顏料覆蓋在鋁粉表面可降低Cl－腐蝕速率，且粘度15s及20s制得的涂層具有較平整的表面。所以涂層的發(fā)射率相比測(cè)試前只有略微升高，且明度、光澤度及附著力基本保持不變。總體而言15s及20s制得的涂層有優(yōu)異的耐鹽霧腐蝕性能。

表4 涂層耐鹽霧性能測(cè)試

3 結(jié)論

當(dāng)料漿粘度控制在15～20s之間時(shí)，涂層表面光滑且表面狀況較好，鋁粉可以被炭黑粒子均勻地覆蓋，涂層的發(fā)射率、明度及光澤度較低。且具有優(yōu)異的力學(xué)及耐鹽霧性能當(dāng)粘度低于此范圍時(shí)，涂層易出現(xiàn)浮色發(fā)花的現(xiàn)象，而在粘度高于此范圍時(shí)，涂層表面粗糙，且在這兩種情況下，鋁粉均無(wú)法均一地被炭黑粒子覆蓋，導(dǎo)致發(fā)射率、明度及光澤度均較高，不利于紅外可見(jiàn)光兼容隱身涂層的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

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Effect of Viscosity on Properties of Grey Coating with Infrared Low Emissivity

LI Wei1,2，XU Guoyue1,2，LIU Ning1,2，MENG Xue1,2，ZENG Xiangxiong1,2，YOU Lingli1,2

(1.,,210016,; 2.,210016,)

Coatings were prepared by the slurry with different viscosity and the properties were studied. The coating surface was observed, and the emissivity, chroma and glossiness were measured by the infrared emissivity meter, colorimeter and glossiness instrument, respectively. Then the surface morphology of the coatings was characterized by SEM. The result shows that when the viscosity is between 15s and 20s, the coating surface is in good condition, and the aluminum powder can be uniformly covered with carbon black particles. The lightness of coating is about 53 and the glossiness is low to 6.5.The coatings still maintain low infrared emissivity after the color changed, and the emissivity was about 0.14,and both mechanical properties and salt spray resistance of the coating are excellent.

viscosity，emissivity，lightness，glossiness，carbon black particle

TQ639.2

A

1001-8891(2017)01-0040-04

2016-08-17；

2016-12-27.

李衛(wèi)（1992-），男，安徽宿州人，碩士研究生，主要研究功能涂層材料。E-mail：liweinuaa1992@126.com。

江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目；國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目（51403102）；江蘇省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（BK20140811）。