溶膠-凝膠表面處理對(duì)飛機(jī)蒙皮涂層性能的研究

薛玉華,張 巖,李江江,薛瑞麗,樊 超 ,步明升,阮潤琦,張 彪,汪 威,劉順崎，郭年華

（1海洋涂料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海洋化工研究院有限公司，山東青島 266071；2中國商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210）

目前飛機(jī)鋁合金涂裝前處理中廣泛使用的鉻酸鹽、磷鉻酸鹽化學(xué)氧化膜，均含有有毒的鉻離子，其產(chǎn)生的廢水對(duì)環(huán)境帶來災(zāi)難性破壞。為了解決這一問題，國內(nèi)外研究者相繼開發(fā)硫酸陽極化﹑硼酸陽極化以及溶膠-凝膠表面處理技術(shù)。其中采用溶膠-凝膠方法可以在鋁合金表面制備一層有機(jī)-無機(jī)雜化膜層，該膜層不含鉻，綠色環(huán)保，與鋁合金具有良好的附著力及防腐能力，可用于鋁材涂裝打底和封孔，國外已有相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用，如SOCOGEL B0202 BLUE以及A0203 BLUE等是經(jīng)過波音授權(quán)生產(chǎn)的溶凝膠產(chǎn)品，符合現(xiàn)有的航空技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是有機(jī)硅活化的鋯鹽水溶液，能提高噴漆和金屬及如鋁、鈦、不銹鋼等合金之間的結(jié)合力，而國內(nèi)尚無符合現(xiàn)有的航空技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用報(bào)道, 只是處于實(shí)驗(yàn)研制階段。因此，我國應(yīng)加大該方面的應(yīng)用基礎(chǔ)研究, 以開拓鋁材又一種新穎的無鉻表面處理的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，具有極其重要的環(huán)保意義[1-4]。本文選擇SOCOGEL B0202 BLUE作為飛機(jī)鋁合金溶膠-凝膠表面處理膜層，考察其對(duì)飛機(jī)蒙皮涂層性能的影響，來驗(yàn)證海洋化工研究院有限公司研制涂層系統(tǒng)與其匹配性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

溶膠-凝膠涂層：SOCOGEL B0202 BLUE，配比：980/20(體積比)，混合靜止30min后一次性使用；高固防腐底漆、底色漆及罩光清漆：海洋化工研究院有限公司研制[5]。

1.2 涂層的制備

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層附著力

涂層固化7d后，按圖2劃線并按圖3評(píng)級(jí)，發(fā)現(xiàn)涂層干態(tài)附著力能達(dá)到10級(jí)，見圖4；在試板上安裝8個(gè)蒙皮鉚釘，其中4個(gè)用于干附著力測試，另外4個(gè)用于濕附著力試驗(yàn)，測試發(fā)現(xiàn)干態(tài)附著力能達(dá)到10級(jí)，濕態(tài)附著力至少能達(dá)到9級(jí)，見圖6；使用加氏重型沖擊試驗(yàn)儀對(duì)涂層反沖試驗(yàn)，并用3M 250膠帶對(duì)沖擊點(diǎn)粘貼，將膠帶牢固地向下壓在涂層上，并以與樣板相垂直的方向急速扯去膠帶，發(fā)現(xiàn)涂層表面沒有任何掉漆現(xiàn)象發(fā)生，表面附著力良好，見圖5。

圖2 90°垂直交叉劃格Fig.2 90°vertical crossing

圖3 附著力評(píng)級(jí)圖Fig. 3 Adhesion rating chart

圖4 涂層劃格附著力Fig. 4 Coating grid adhesion

圖5 涂層沖擊附著力 Impact adhesion of coating

圖6 涂層鉚釘附著力Fig. 6 Rivet adhesion of coating

2.2 涂層柔韌性

試驗(yàn)樣板固化7d后，在錐形軸棒上通過180°彎曲，經(jīng)檢查沒有開裂、剝落或其他漆膜缺陷，見圖7；試驗(yàn)樣板經(jīng)過71℃與-54℃高低溫循環(huán) 24 次，最后在冷箱中置于直徑為102mm (4 in)軸棒上進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，同樣沒有出現(xiàn)涂層附著力失效現(xiàn)象，附著力能達(dá)到9級(jí)，見圖8。

圖7 涂層錐形柔韌性Fig.7 Conical flexibility of coating

圖8 涂層低溫沖擊彎曲柔韌性Fig.8 Low temperature impact bending flexibility of coating

2.3 涂層耐流體性

試驗(yàn)樣板固化7d后，將試驗(yàn)樣板浸漬在磷酸酯（Ld-4）液壓油里，其深度為樣板長的1/2~3/4，30d后取出用清潔的薄紗布拭干表面，漆膜無起泡、裂紋、脫落或其它缺陷，經(jīng)鉛筆硬度測試能達(dá)B，完全可以滿足≥2B的要求，見圖9。

圖9 涂層耐Ld-4液壓油Fig.9 Coating resistance of Ld-4 hydraulic oil

2.4 涂層耐鹽霧性

試驗(yàn)樣板固化14d后，在涂層上沿對(duì)角線劃線，直至出現(xiàn)金屬基材，劃線寬度為1mm, 將試樣暴露在5%濃度的鹽霧中3000h，試樣按與垂直線成6o±1o傾斜角擺放（涂漆面向上)，檢查試驗(yàn)樣板沒有腐蝕現(xiàn)象，經(jīng)劃線附著力測試能達(dá)到9級(jí)，見圖10。

圖1 涂層制備Fig.1 Coating preparation

圖10 涂層耐鹽霧性Fig.10 Salt spray resistance of coating

2.5 涂層耐絲狀腐蝕

試驗(yàn)樣板固化14d后，在涂層上沿對(duì)角線劃線，直至出現(xiàn)金屬基材，劃線寬度為1mm, 將試板置于溫度24℃±3℃、當(dāng)量濃度12的HCl溶液產(chǎn)生的蒸汽環(huán)境中1h后，立刻置于溫度為35℃±3℃、濕度為80%±5%的環(huán)境中，30d后漆膜沒有腐蝕、起泡和其他損傷，見圖11。

圖11 涂層耐絲狀腐蝕Fig.11 Filiform corrosion of coating

2.6 耐雨蝕

耐雨蝕性能是考察飛機(jī)涂層十分重要的指標(biāo)之一，耐雨蝕試驗(yàn)是采用雨滴擊打高速旋轉(zhuǎn)葉片表面試樣的方式來模擬飛機(jī)高速飛行通過雨區(qū)時(shí)的狀況，能直接測試涂層耐雨水沖刷剝離性能以及與基材的附著力[6]。

試驗(yàn)樣板固化14d后，將試板浸入(24±6) ℃的水中 16~24 h，從水中取出后 1h內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，試樣旋轉(zhuǎn)速度（試板中心）為 620 km/h，噴水的速度為 76~102 mm/h ，雨滴尺寸為 1~4 mm，設(shè)定時(shí)間為 30min，檢查并測量涂層試樣邊緣最終剝離尺寸能滿足小于6.35mm指標(biāo)要求，可證明凝膠膜層可提供涂層與基材優(yōu)良的附著力，見圖12。

圖12 涂層耐雨蝕Fig.12 Rain corrosion resistance of coating

2.7 可去除性

試驗(yàn)樣板固化7d后，將試驗(yàn)樣板曝露在 Atlas UVCON NC-1 型老化儀，按 ASTM G53 方法，8h 紫外線曝露，接著4h凝露，重復(fù)循環(huán)至少 500h，按使用說明刷涂脫漆劑Turco 6776-LO，10h后檢查漆膜及凝膠膜層完全脫除，對(duì)基材沒有任何影響，基材可重復(fù)使用，而阿洛丁1200S處理的基材，阿洛丁氧化膜不易去除干凈，對(duì)基材可重復(fù)性有不利影響，一般需要打磨去除，浪費(fèi)了大量的人力及物力，見圖13。

圖13 涂層可去除性Fig.13 Removability of coating

3 結(jié)論

經(jīng)飛機(jī)鋁合金溶膠-凝膠表面處理與蒙皮涂層配套測試，發(fā)現(xiàn)涂層與鋁合金不僅附著力良好，干態(tài)附著力能達(dá)10級(jí)，鉚釘附著力至少9級(jí)以上，沖擊附著力漆膜沒有任何損失，錐形柔韌性及高低溫彎曲柔韌性出現(xiàn)涂層附著力失效現(xiàn)象，而且具有良好防腐能力，耐磷酸酯（Ld-4）液壓油鉛筆硬度能達(dá)B，涂層耐鹽霧及絲狀腐蝕沒有出現(xiàn)腐蝕、起泡和其他損傷現(xiàn)象,涂層耐雨蝕試樣邊緣最終剝離尺寸能滿足小于6.35mm指標(biāo)要求，可證明凝膠膜層能提供涂層與基材優(yōu)良的附著力，且溶膠-凝膠處理的基材相比阿洛丁1200S處理的，經(jīng)脫漆劑去除，漆膜及凝膠膜層可輕易的完全脫除，鋁合金基材可重復(fù)使用。因此，本研究飛機(jī)外部蒙皮涂層系統(tǒng)與鋁合金溶膠-凝膠表面處理配套性良好，且溶膠-凝膠表面處理不含鉻，綠色環(huán)保，可提供優(yōu)良的涂層附著力，實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，具有極其重要的環(huán)保意義。