飛機用環保型防滑涂料的制備及性能研究

左娟娟，姜秀杰，白 楊，冷曉飛，陳從棕

(海洋化工研究院有限公司，海洋涂料國家重點實驗室，山東青島 266071)

防滑涂料作為一種表面處理功能性材料，能夠改進基材表面的摩擦性，減少基材表面人員、車輛和其他物體的滑動性，避免人員受傷及財產損失，并提高踩踏舒適性［1-2］。防滑涂料主要由成膜物質、溶劑、顏料、填料以及助劑組成，但不同于一般涂料，其中加入了起到防滑作用的耐磨顆粒［3］。

在國外，防滑涂料主要應用于飛機的內部走道、上機翼緊急逃生通道、貨艙地板等部位，使用范圍僅次于蒙皮涂料及通用底漆［4］，且已經形成成熟的產品，如PPG、AKzoNobel、Sherwin-Williams、Chemsol等公司的飛機防滑涂料產品，有單組分、雙組分、三組分等類型，涵蓋醇酸、環氧、聚氨酯等樹脂體系。

目前，國內防滑涂料大多應用于船舶［5］，尤其是甲板上會大量使用防滑涂料，在航空領域內使用需求不強，研究和應用基本屬于空白［6］。飛機防滑涂料在使用過程中可能面臨氣流沖刷、基材形變、溫度驟變、液壓油滲漏等惡劣環境，易導致涂層出現漆膜開裂、防滑顆粒脫落等問題。為了解決以上問題，本實驗研制了一種環保型飛機防滑涂料，該涂料以無機有機混制的輕質型砂為防滑顆粒，不僅具有較低的涂層面密度，可有效減輕機體負重進而節約燃料費用，還具有優異的防滑性、耐磨性、耐介質性以及環保性。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

丙烯酸樹脂（工業品，東莞）；聚酯樹脂（工業品，上海）；脂肪族異氰酸酯固化劑（工業品，煙臺）；鈦白粉（工業品，杜邦）；阻燃劑（工業品，云南）；助劑（工業品，江蘇）；稀釋劑（工業品，江蘇、湖南）；防滑顆粒（工業品，江蘇）。

1.2 主要儀器設備

掃描電子顯微鏡：TM3030Plus，日本日立公司；磨耗儀：Taber5155，美國Taber公司；高低溫恒溫試驗箱：WD701，上海增達環境試驗設備有限公司；摩擦系數測試儀：MXD-02，濟南蘭光機電技術有限公司；鼓風干燥箱：DHG-9075A，上海一恒科技有限公司；高速分散機：MASTERMIX，耐馳（上海）機械儀器有限公司；砂磨機：LMZ-0.5，耐馳（上海）機械儀器有限公司。

1.3 實驗過程

1.3.1 防滑涂料的制備

防滑涂料由A、B、C三組分組成，其中，A組分為丙烯酸樹脂和聚酯樹脂與顏填料、助劑等的混合物，配方見表1；B組分為脂肪族異氰酸酯固化劑；C組分為無機、有機材料混制的型砂。

表1 防滑涂料A組分配方Table 1 Formulation of anti-slip coating A component

A組分的制備過程：在干凈的調漆罐內，將丙烯酸樹脂和聚酯樹脂進行充分攪拌，然后依次加入觸變劑、顏料、填料、阻燃劑、抗氧劑、分散劑等助劑和部分稀釋劑。在高速攪拌分散機上預分散20~30 min后，用耐馳棒銷式砂磨機研磨至細度小于40μm，加入其他剩余物料，充分攪拌均勻后，調整不揮發物含量在60%~65%，過濾即為A組分。

1.3.2 基材處理及試板制備

基材處理：本實驗選用的試板為2024-T3鋁板，首先對鋁板進行堿洗、酸洗，除去鋁板表面油污及氧化皮，然后用阿洛丁1200S對其表面進行氧化處理，最后在低于54℃的環境下烘干即可，基材尺寸要求見表2。

表2 基材尺寸Table 2 Substrate size

試板制備：在涂覆防滑涂料之前，需要在試板上先涂覆一道防腐蝕環氧底漆，底漆干膜厚度為15~25 μm，底漆固化6~24 h后再涂覆防滑涂層。防滑涂料可采用刷涂、輥涂、噴涂的施工方式，本實驗采用大口徑噴槍進行有氣噴涂，噴槍口徑2~3 mm，工作壓力0.6~0.8 MPa。防滑涂料涂裝前將基料A組分充分攪拌均勻，按A、B、C組分質量比7：1：1混合，攪拌均勻后施工，單道干膜厚度60~120 μm，表干后可涂裝下一道，共涂裝2~3道，至干膜厚度150~250 μm。

1.4 涂層性能測試方法

1.4.1 滑動摩擦系數測試

按照GB/T 10006-2021要求測試防滑涂層和橡膠表面在干、水、油狀態下的滑動摩擦系數，采用MXD-02摩擦系數測試儀進行測試，重點考察水、油等介質類型及防滑顆粒的添加量對涂層滑動摩擦系數的影響。

1.4.2 耐磨性測試

按照ASTM D4060-19規定采用Taber磨耗儀測定涂層的耐磨性。使用CS-10號橡膠砂輪，配重1 kg。本實驗的耐磨性以經過5000r的摩擦循環后漆膜的質量損耗來表示。

1.4.3 耐介質性測試

按照GB/T 9274-1988要求，測試漆膜的耐介質性能，介質主要有RP-3航空煤油和15號航空液壓油，觀察漆膜狀態以及鉛筆硬度變化情況。

1.4.4 耐高低溫性

按照ASTM D522-17要求測試漆膜的耐高低溫性，將試驗樣板分別放于-51℃和93℃條件下30min后，在同等溫度條件下的5cm直徑軸上進行180°彎曲試驗，漆膜應無裂紋、無脫落、附著力損失或其它漆膜缺陷。

1.4.5 VOC的測定

參考美國EPA Method 24，揮發物含量的測定方法依據ASTM D2369-20，水含量的測定方法依據ASTM D3792-16，豁免化合物的測定方法依據ASTM D4457-14。VOC的計算方法按照ASTM D3960-05。

1.4.6 顯微組織

采用TM3030Plus型掃描電子顯微鏡觀察涂層表面的微觀形貌特征。圖1為加入10%防滑顆粒制備得到的防滑涂層表面微觀形貌。從圖1中可以看出，涂層雖有防滑顆粒造成的粗糙紋理，但涂層表面相對平整光滑。

圖1 防滑涂層表面的掃描電鏡照片Fig.1 SEM images of the non-skid coating

2 結果與討論

2.1 樹脂的篩選

樹脂是防滑涂料的核心，對防滑涂料的性能有重大影響，針對飛機在使用過程中可能出現的防滑涂層漆膜開裂、防滑顆粒脫落等問題，本實驗在設計配方時選用耐候性好的丙烯酸樹脂作為主體樹脂，輔以一定比例的聚酯樹脂，適當提高樹脂體系的交聯密度，滿足防滑涂層強度、柔韌性、耐磨性與耐液壓油性能的平衡。主要考察了不同樹脂類型對漆膜性能的影響，具體結果見表3。

表3 不同樹脂對漆膜性能的影響Table 3 The influence of different resins on the performance of paint film

從表3的性能對比結果可以看出，丙烯酸樹脂A具有較高的硬度，柔韌性略差，聚酯樹脂B和C具有較好的柔韌性和耐磨性，但聚酯樹脂C的耐介質性能略差，干燥時間過長。因此最佳樹脂體系選用丙烯酸樹脂A與聚酯樹脂B按照6:4的比例進行混拼，得到的漆膜具有優異的耐候性、柔韌性、耐磨性、耐介質性和耐高低溫性。

2.2 防滑顆粒的篩選

防滑涂料的防滑效果主要是通過防滑顆粒來實現的，防滑顆粒能顯著增大防滑涂料的摩擦性能，提高其耐磨性，延長涂料的使用壽命［7］。目前防滑涂料選用的防滑粒料大部分是無機物，如金剛砂、石英砂等，這些防滑粒料硬度高、密度大，易劃傷機體，不能滿足飛機上的防滑要求。因此，本實驗要優選出一種具有高耐磨、高防滑性的輕質防滑粒料，既要滿足干、濕、油態下高摩擦系數的要求，又要與所選樹脂具有良好的配套性，著重考察了防滑顆粒種類、粒徑以及添加量對體系性能的影響，表4是選用的防滑顆粒性能對比。

表4 防滑顆粒性能對比Table 4 Non-skid particle performance comparison

從表4可以看出，選用性能最優的型砂作為防滑顆粒，不僅防滑涂層的耐磨性、防滑性、耐介質性等理化性能滿足要求，且具有較好的施工性能，可進行噴涂施工。篩選了一種改性的無機、有機混制型砂作為防滑顆粒，該型砂具有低密度、高耐磨性、優異的阻燃性等特性，與防滑涂料樹脂體系相容性好，與涂層有較強的結合力，不易從涂膜中脫落；因其較低的密度，施工時顆粒不易沉降，施工后的涂層質地更加均勻，涂層面密度低，有效降低了機體負重。

同時，本實驗還研究了防滑顆粒粒徑對防滑涂層滑動摩擦系數的影響，實驗結果如圖2所示。

圖2 防滑顆粒粒徑大小對涂層滑動摩擦系數的影響Fig.2 The influence of the size of the non-skid particles on the sliding friction coefficient of the coating

由于防滑顆粒粒徑過大，噴涂施工過程中易堵塞噴槍，施工后涂層中防滑顆粒分布不均勻，因此，本實驗只對粒徑在96~380 μm的防滑顆粒進行了對比試驗。由圖2可以看出，隨著防滑顆粒粒徑的減小，涂層滑動摩擦系數也逐漸降低，因此，本實驗選用150~180 μm的防滑顆粒，以滿足平滑型防滑涂料對滑動摩擦系數的要求。

同時，本實驗還研究了防滑顆粒的添加量對防滑涂層滑動摩擦系數的影響，結果如圖3所示。

圖3 防滑顆粒添加量對滑動摩擦系數的影響Fig.3 Influence of content of non-skid particles on the sliding friction coefficient

由圖3可以看出，隨著防滑顆粒加入量的不斷增大，涂層的滑動摩擦系數先是急劇增大，隨后增長平緩，在防滑顆粒加入量大于5%后，其加入量對涂層滑動摩擦系數的影響不明顯，防滑顆粒加入量小于10%的涂層防滑顆粒過于稀疏，表面狀態較差，綜合考慮防滑顆粒對防滑涂料施工、涂層表面狀態等的影響，確定防滑顆粒的加入量為10%。

2.3 無毒或低毒溶劑的選擇

溶劑對涂料的粘度、潤濕性、附著力均有一定的調節作用［8］。但是，在施工過程中，這些釋放出的溶劑是破壞環境和危害人體健康的主要因素，因此，低毒或無毒、對環境污染少的綠色環保涂料已經成為研究的重點。

豁免溶劑不參加大氣光化學反應，對環境和人體不構成危害，用豁免溶劑替代傳統的有毒有害溶劑，在不影響產品性能的同時兼顧了環保的要求，是目前降低溶劑型涂料VOC切實有效的方法［9］。醋酸叔丁酯（TBAC）作為一種低毒性溶劑，被美國國家環保局（EPA）列為免除受限制的揮發性溶劑和非有害空氣污染物，它具有獨特的分子結構，空間位阻大，與其它溶劑混合使用可大大改善溶劑的相溶性能。同時，作為環境友好型溶劑，可以替代甲苯、二甲苯、酮類和碳氫化合物等，目前已廣泛應用于涂料領域。因此，本實驗著重考察了防滑涂料體系中TBAC與PMA混合比例對VOC的影響，具體數據如圖4所示。

圖4 TBAC與PMA混合比例對體系VOC的影響Fig.4 The influence of the mixing ratio of TBAC and PMA on the VOC of the system

通過試驗對比發現，隨著TBAC含量的增加，體系的VOC逐漸降低，但經濟成本也隨之增加，因此，在兼顧經濟、環保和施工的原則下，本實驗選擇的TBAC與PMA混合比例為1：2，此時體系的VOC為402g/L，滿足VOC<420g/L指標要求，并且此條件下施工狀態良好，漆膜表面未見不良缺陷。

3 結論

（1）選擇丙烯酸樹脂和聚氨酯樹脂按照6：4比例混拼的樹脂體系，采用脂肪族異氰酸酯固化劑進行固化，實現防滑涂層強度與柔韌性的平衡。

（2）通過添加10%的150~180 μm改性型砂，可以顯著提高涂層的摩擦性，滿足飛機防滑涂料對動摩擦系數的要求。

（3）選擇醋酸叔丁酯作為體系中豁免溶劑，可以有效降低VOC含量，當醋酸叔丁酯與PMA比例為1：2時，體系VOC為402g/L，此時，漆膜狀態良好，既經濟又環保。