蟲膠清理技術國內外研究進展及在直升機上的應用

張昕宇，徐 璐，姜國杰，于 晴，馮晨旭，宋 健

（1.中國直升機設計研究所標準材料部，江西景德鎮 333001；2.中國航發北京航空材料研究院表面工程研究所，北京 100095）

大自然的其他生物有著它們特定的活躍時節，而人類的生產生活無時無刻不在進行，如何與其他生物和平共處或者消除它們帶來的負面影響是我們永恒的課題。昆蟲在春夏時節活動旺盛，且會分泌大量由桐油酸和蟲膠酸等組成的聚酯混合物-蟲膠，這種混合物不溶于水，易溶于有機溶劑［1］。昆蟲的活動范圍很廣，汽車、列車行駛以及直升機飛行穿越松林時，都易遭遇昆蟲并在外表面及玻璃上留下蟲膠，長時間的殘留會使蟲膠老化變硬［2］，難以清除，且對基體造成一定破壞。在夏季，樹木的分泌也很旺盛，容易產生樹黏液，樹黏液包括樹脂和樹膠，與蟲膠組成成分類似的，作為一種無定形高分子混合物，樹脂同樣不溶于水，黏性大［3］，易溶于有機溶劑，主要由固態的樹脂酸和液態的萜烯類兩部分組成［4］。樹膠的主要成分是多糖類無定形物質，屬于高分子復雜化合物，與水結合會形成膠體溶液［5］。

直升機在臺海沿岸林地貼地飛行時，會有很多昆蟲撞到直升機迎風面及前擋風窗玻璃上，形成難以清洗掉的蟲膠。蟲膠在直升機機體表面的長時間附著，會殘留難以清除的漬跡。由于這些有機物質呈酸性［6］，因此長時間的黏附會造成直升機機體的漆層、玻璃和金屬等材料的腐蝕，影響直升機的使用。蟲膠與鹽類物質的結合會使其更加穩定［7］，難以分解去除，而直升機在戶外停放時大氣中的鹽類物質極易與蟲膠發生反應，當其在海洋鹽霧大氣環境下使用時，面臨的鹽沉積環境將更加嚴酷。因此，蟲膠的長時間黏附會給直升機帶來嚴重的腐蝕問題。此外，殘留在直升機前擋風窗玻璃上的漬跡在陽光的直射下還會產生彩色的條紋，造成眩光現象，嚴重時還會阻擋飛行員的飛行視線，進而影響直升機飛行的安全［8］。

目前，國內外已開展了基于不同背景不同基體的蟲膠清理技術的相關研究，但目前相關的綜述較少，本文對各類方法進行了整理匯總，以期對直升機的蟲膠清理技術研究和應用有一定的啟發。

1 國外研究進展

強，在去除蟲膠、樹黏液的同時，還會對汽車、直升機的外表面，尤其是對漆層造成損傷。針對以上不足，研究者們提出了通過水基型溶劑以及一些新型技術去除蟲膠的方式。

通過堿性溶液水解的方式可以改變蟲膠特性，使蟲膠易于溶解［9］，但當蟲膠已成為銨鹽則由于在結合位點的反應而受到保護，不易被破壞［10］。當蟲膠吸收到陶瓷織物的多孔基材中，會在陶瓷中通過復雜的化學反應形成含有金屬雜質的有機金屬絡合物，造成不可逆轉的紫粉色色斑。國外的研究者探究了使用堿性水溶液將分子水解成水溶性單體、二聚體和游離羧基酸的方式去除多孔基材上的蟲膠［11］。清洗劑的組成為少量乙醇和瓊脂凝膠的混合物，添加NaOH溶液緩沖pH至13.5。該清洗劑組成簡單且環保，可以廣泛應用于不同基材。這種方式的特點在于不再從傳統角度出發使蟲膠的聚酯骨架溶脹變形進入溶液被去除，因為溶解方法容易導致化學鍵結合的金屬陽離子進而產生粉紫色污漬［11］。

除使用溶劑去除蟲膠外，國外研究者提出了激光去除木制品上的蟲膠的方法［12］。蟲膠在木材中具有良好的滲透性，浸漬木材后，蟲膠會在木材的內在層上堵塞凹坑并硬化［13-15］。運用不同的脈沖激光體系進行不同持續時間的脈沖燒蝕（如表1），研究確定最佳激光參數。激光蝕刻深度和激光能量密度的函數曲線如圖1所示，可以看出蟲膠和木材的消融閾值有著顯著差異，蟲膠都是在比木材更低的通量下燒蝕，通量能量的最佳窗口值可以在不傷害木質的情況下使用去除蟲膠。研究表明，使用1064 nm的Nd∶YAG激光進行持續10 ns的脈沖燒蝕可以去除蟲膠而不損害木質基材，激光去除的技術可以很好的應用于木質工藝品的蟲膠清洗，避免了費力的機械方法或者帶來其他風險的溶劑去除蟲膠的方法。

圖1 用1064 nm波長的Nd∶YAG激光脈沖（脈沖持續時間10 ns）照射時的蟲膠消融率［12］Fig.1 Nd∶YAG laser pulse（pulse duration 10 ns）is irradiated with a 1064 nm wavelength［12］

表1 研究中應用的激光體系［12］Tab.1 Laser system used in research［12］

此外，研究表明蟲膠的成分結構比一般的脂肪去除蟲膠傳統常見的方法就是使用有機溶劑，如醇類、醚類、苯類、石油烴類和脂肪酸類等利用“相似相溶”的原理進行清洗。然而，這類去蟲膠清洗液中揮發性有機化合物會對人的身體造成傷害，也會污染周圍的環境。同時，有些有機溶劑的溶解性很酸、碳水化合物等物質更易水解，因此研究者提出通過酶水解的方式去除蟲膠，這一思路可以作為未來研究的方向［11］。

2 國內研究進展

國內也開展了相關的研究，去蟲膠清洗劑主要應用于汽車、列車。以往在使用清潔劑清理蟲膠時經常會帶來各種問題，例如在寒冷氣候條件下使用時，清洗劑易凍結影響視野；干燥條件下使用有可能出現靜電現象；潮濕環境下使用則會刮干慢，殘留多，容易導致腐蝕。采用傳統的機械研磨法去除蟲膠時，研磨劑易出現顆粒分散不均，劃傷玻璃表面的問題。此外，目前大部分研究中清洗劑的配方仍是由普通表面活性劑、醇、醚類溶劑、緩蝕劑和水組成，同樣會帶來損害人體健康、污染環境、腐蝕基體等問題，抑或酸堿性較強，對玻璃造成侵蝕作用，對此研究者在研制中對以上問題提出了各種解決方案。

列車在高速運行中其端頭的擋風玻璃也會刮蹭到樹枝、遭遇飛蟲碰撞，表面黏附的樹膠、昆蟲尸體等會演變成黃斑、銹漬等蟲膠污漬。針對此類問題，李麗等［16］人研制了一種性能穩定、清洗力強的水性清洗劑，在其性能驗證中，原本由于蟲膠油污的附著透光率下降到僅71%的擋風玻璃，在使用該清洗劑后透光率提升至78%，并在刷洗后達到了81%，說明其去污能力優良。將該清洗劑在H62黃銅、LY12硬鋁、45#鋼表面使用后金屬均無明顯變色，說明其腐蝕性弱。此外，清洗劑無刺激性氣味，降解性達99.9%，且對漆膜硬度無影響。

研究人員還制備了一款可以在低溫下使用的汽車玻璃清洗劑［17］，主要用于去除玻璃表面的污物，其陰離子表面活性劑的配合使用可以增強去污能力，添加的緩蝕劑成分用以減弱對玻璃的腐蝕和劃傷，加入穩定劑和消泡劑以穩定配方，抑制過多的泡沫產生，通過醇類物質的適當復配可以形成保護層，防止霧滴產生，同時還能降低冰點，實現在低溫環境下完成對蟲膠的清洗。通過對汽車強擋風玻璃的實際清洗操作發現，在清洗前玻璃表面有大量灰塵、鳥糞、油污，清洗后表面無雜點，連續使用洗滌150次后玻璃表面無腐蝕。由此可見，清洗劑去除表面污物的效果很明顯，且對玻璃表面無腐蝕作用。

熊竹君等［18］人通過無機增稠劑與表面活性劑的協同作用提高研磨劑的分散穩定性，降低了研磨顆粒的團聚性和對玻璃的傷害性，研磨劑本身的滾動可以有效去除玻璃表面的沉積物、樹膠、蟲膠、鳥糞等頑固污垢，這種清洗劑無揮發性，安全無害。

侯悖等［19］人另辟蹊徑，采用弱堿性活性酶分解技術高效去除蟲膠，研制出一款生產工藝簡單的水基玻璃清洗劑。這種清洗劑添加了生物酶成分，生物降解性高，環境友好。另外在性能上活性物質含量少，通過采用親水滲透技術來降低蟲膠等殘留物的附著特性，使其更容易被剝離。與傳統玻璃清洗劑相比，該清洗劑還具有撥水特性，當汽車、列車等在大雨中行駛時，該清洗劑可以使落在玻璃面上的雨柱形成負壓式雨簾飛離玻璃，而不是平鋪在玻璃上遮擋視線，從而保證更高的雨天行駛的視野清晰度和安全性。

直升機在飛行中也會遭遇昆蟲撞擊、穿越叢林等環境，蟲膠殘留帶來的影響視線、腐蝕機體的問題同樣不可忽視，亟待解決。低表面能材料由于表面能低、污物不易附著的特點被廣泛應用于疏水/超疏水自清潔涂料［20-23］。本團隊受此啟發，通過采取主動防護和快速清潔兩種方式相配合達到直升機表面的防蟲膠及清潔設計的目的。具體研究思路如下。

在直升機外表面防蚊蟲設計方面，通過低表面能防黏附涂料的涂覆，減少液滴與機體表面的接觸面積及接觸時間，利于從源頭減少蟲膠的附著。盡管疏水/超疏水表面在防黏附方面效果顯著，但存在用于疏水改性的低表面能物質與基材的附著力或黏結力差［24］，表面粗糙結構的穩定性、耐久性不好等問題。本團隊考慮先構造低表面能表面，然后對其進行粗糙化處理的方式構建超疏水表面［25-27］。以端羥基聚烯烴、端羥基聚硅氧烷、氟化胺類固化劑為彈性低表面能基體樹脂材料，通過低表面能偶聯劑修飾納米粒子，以具有優異的錨固作用的反應性表面修飾劑作為涂層的錨固材料，構筑疏水/超疏水功能表面，即利用彈性低表面能聚氨酯化合物耗散外界機械損傷［28-32］，在基材表面構建微相分離的疏水表面，并借助納米粒子構筑粗糙結構，構建具有多層次微納結構的超疏水涂層；通過對成分組成、形貌結構、浸潤性、自清潔/易清潔性、穩定性、耐久性的分析，探索其構效關系。在此基礎上，探索和優化構建疏水/超疏水表面的途徑，以提高性能的穩定性和耐久性，為構建性能優異的防黏附表面奠定基礎。超疏水防黏附涂層示意圖如圖2。

圖2 超疏水防黏附涂層示意圖Fig.2 Schematic diagram of super-hydrophobic anti-adhesion coating

在直升機外表面蟲膠清潔設計方面，在清潔劑需同樣避免使用有機溶劑型清洗劑的方法，本團隊研制了一種水基型蟲膠的清洗液，并對不同配比用量多元有機胺類物質、表面活性劑、防銹劑以及助劑的清洗液配方進行篩選研究，防銹劑的添加可以減少對其他材料的腐蝕，從而實現低腐蝕性堿性溶液對蟲膠的去除，同時保證環境友好和高效清潔。

3 現狀總結對比及直升機應用難點分析

通過對蟲膠清理技術國內外研究現狀的分析發現，有機溶劑法由于其強揮發性和破壞性已逐步被淘汰，傳統的機械法也被改進以減小對基體的損傷，堿性溶液也易帶來基體損傷的問題，水基清洗劑由于其清潔效果優、對基體腐蝕作用小、環境友好、適用范圍廣等特點成為當前去除蟲膠的主要方法，有的清洗劑還具有可在低溫條件下使用的優異性能。此外也有研究人員提出激光燒蝕、酶分解、機械研磨等方式去除蟲膠，這些方法各有優勢，但使用時會受基底材料、形狀等特殊情況的限制。此外，疏水超疏水表面的研究也給予研究者一定的啟發，構建這樣的表面可以減少蟲膠的黏附，從源頭避免問題的產生，結合水基清洗法進行清洗，可以大幅優化蟲膠的去除效果，且疏水表面還可以防止其他物質的附著提升玻璃及其他表面的清潔度。表2中具體列出了各種蟲膠清洗技術的優缺點及適用范圍。

從表2看來，對于直升機表面的蟲膠清理，采取低表面能材料主動防護和水基清洗液快速清潔配合的方式是改善蟲膠在直升機表面黏附問題的最佳解決途徑，低表面能材料可以從主動防護的角度盡量減少蟲膠的附著，盡量保證直升機飛行中風擋玻璃及腐蝕敏感部位的潔凈，也減輕后續維護清理的工作量。水基清洗液可以在仍有少量蟲膠黏附時以噴淋和刷洗的方式快速去除污物，保證表面清潔干凈。

表2 各種蟲膠清洗技術的優缺點及適用范圍Tab.2 Advantages and disadvantages and scope of washing technology

然而，在實際應用中還有很多難點亟待解決。相比其他蟲膠黏附，直升機的蟲膠黏附需要注意：第一，直升機在其整個生命周期中面臨環境的復雜性。當直升機在經歷高溫高濕、鹽霧、砂塵、雨水等腐蝕誘因環境時，這些環境因素可能會引起所黏附蟲膠理化性質的變化，加劇腐蝕現象的發生。此外，還可能導致低表面能材料性能變化、清洗液失效等問題，甚至在環境作用下帶來新的腐蝕現象。當直升機面臨高溫/高寒環境時，低表面能材料的結構穩定性以及與基底的結合強度等將面臨考驗，清洗劑中有機物的化學鍵可能會發生斷裂。此外，高寒環境下清洗劑較難徹底去除，有可能殘留在機體表面，也會導致機體的腐蝕。第二，直升機機體結構復雜，涉及的材料種類繁多。在低空飛行時直升機機身蒙皮、風擋玻璃、雷達/天線罩、槳轂等處都容易有蟲膠附著，而機頭、雷達罩等曲面結構的高曲率特征以及槳轂結構的復雜性，會增加低表面能材料涂覆的工藝難度以及清洗工作的困難。此外這些部位選用了多種材料和漆層，包括碳纖維復合材料、玻璃纖維復合材料、玻璃表面的有機聚合物保護涂層、橡膠件等，低表面能材料的涂覆以及清洗劑的研制需考慮不同材料的適用性。以上情況為直升機的蟲膠清理技術研究帶來了難點，在研究工作中需要重點考慮。

4 總結和展望

綜上，傳統去除蟲膠的有機溶劑法、機械法已逐步被淘汰，在眾多新興方法中，水基清洗液以其性能溫和穩定、安全無害、可設計性強的優勢成為首選方法。同時，納米材料的發展和疏水/超疏水表面的興起，也給防止蟲膠黏附提供了新的思路，目前在海洋防污涂料、建筑自清潔表面等領域已開展了相關研究，利用主動防護和清洗液清潔兩相配合的思路將是今后蟲膠防護清理技術的發展趨勢。目前水基清洗劑很大程度上減少了原先的揮發性和有害性有機物成分，也盡量降低了清洗對基底的損傷，但尚未充分考慮對貯存和使用環境的適應性，對基材的腐蝕影響驗證方面，目前僅對部分材料進行了試驗驗證，不夠全面，驗證方式也較為簡單，僅在常溫大氣環境下進行。對于低表面能材料，需改善其與基材的附著力、結構的穩定性等，以獲得更加優異耐久的涂層，進行微觀結構設計與調控、工藝改進來提高其對各類使用環境的適應能力以及在不同材料、形狀基底的適用性。例如需考慮投入到直升機使用后面臨直升機停放、起飛、飛行、維護等狀態的特殊復雜環境，在多種氣候環境和易腐蝕環境的綜合效應下低表面能材料、清洗劑會否失效、是否會導致新的腐蝕反應發生，能否在各種材料、各類形狀表面正常使用，穩定性和耐久性如何等問題。