陳從棕,冷曉飛,姜秀杰,左娟娟,白 楊

(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）

在解決防滑問題的多種方式中，涂裝防滑涂料是簡單且行之有效的措施。防滑涂料作為一種功能性材料，能提高通道底材表面防滑性能，防止在其表面作業(yè)人員、行駛車輛和其他物件滑動，減少意外事故的發(fā)生，避免人員受傷及財產(chǎn)損失[1-3]。與防滑橡膠板、金屬壓花等防滑方式相比，防滑涂料具有質(zhì)輕、耐腐蝕性好、防護性能好、色彩豐富、易修補等優(yōu)點，使用場所不受場地限制，且防滑涂料的施工工藝簡便、穩(wěn)定可靠[4]。據(jù)MarketsandMarkets 發(fā)布的一項市場報告顯示，全球防滑涂料消費市場到2023年預(yù)計達(dá)到1.61 億美元，年復(fù)合增長率為6.5%[5]，其中航空領(lǐng)域大型飛機是一個重要的增長點。

國外對防滑涂料的開發(fā)利用已經(jīng)有很多年，最成功的應(yīng)用領(lǐng)域是船舶，在航空領(lǐng)域大型飛機內(nèi)部走道、上機翼緊急逃生通道、貨艙地板、門檻、坡道、裝載臺階、平臺、梯子和踏板等也有廣泛的應(yīng)用，并有許多系列化的產(chǎn)品，如AkzoNobel 的Aeroflex HS 113F01 三組分防滑聚氨酯涂料，具有高固體分、優(yōu)異的柔韌性、低表面粗糙度的特點，能與各種高固體分常用底漆配套，用于機翼和水平穩(wěn)定器的上表面；PPG的Desothane?HD CA9032走道涂料，是一種高固體分聚氨酯防滑涂料，具有固化快、密度低、防滑性好的特點，可滾涂施工，節(jié)省大量涂裝時間，主要應(yīng)用在機翼上方人行道，能在-54~177 ℃范圍內(nèi)使用；另外PPG 的Desothane?HS 8241 軍用走道涂料，是一種高耐久性聚氨酯防滑涂料，具有優(yōu)異的耐流體性和防滑性、良好的光澤和保色性，主要應(yīng)用于軍用飛機機翼表面的緊急出口，為緊急出口走道上的乘客提供保護。

在國內(nèi)，防滑涂料主要用于停車場、船舶、海上作業(yè)平臺和高速路口等。在航空領(lǐng)域，對于有防滑需求的部位，通常做法是使用防滑墊或金屬印花來處理，而這2 種方式都有著明顯的缺點：防滑墊增重大、不美觀，金屬印花施工工藝復(fù)雜，不易維護。與這2 種工藝方式相比，使用防滑涂料具有易施工、美觀、減重明顯、后期維護簡單等優(yōu)點，而國內(nèi)在航空領(lǐng)域防滑涂料的研究及應(yīng)用基本屬于空白[6-7]。

本研究針對航空領(lǐng)域?qū)τ诜阑?、輕量化、安全性的全面需求，采用耐磨增韌的聚氨酯樹脂體系制備耐磨防滑涂料，對防滑顆粒進(jìn)行改性提高摩擦系數(shù)及防滑耐久性，通過輕量化防滑顆粒及低膜厚涂層的制備以期實現(xiàn)防滑涂層輕量化，同時提高安全性。

1 實驗部分

1.1 主要原料與儀器

羥基丙烯酸樹脂A、羥基丙烯酸樹脂B、羥基丙烯酸樹脂C：東莞宏石功能材料科技有限公司；聚酯多元醇樹脂D、聚酯多元醇樹脂E：柏斯托英國有限公司；炭黑（MA-100）：日本三菱化學(xué)株式會社；鈦白粉（R-706）：杜邦中國集團有限公司；抗氧劑（T-501）：煙臺通世化工有限公司；消泡劑（BYK-070）、流平劑（BYK-330）、分散劑（BYK-163）：畢克化學(xué)；偶聯(lián)劑：南京向前化工有限公司；稀釋劑：青島海力加化學(xué)新材料有限公司；脂肪族多異氰酸酯：萬華化學(xué)集團股份有限公司；反應(yīng)促進(jìn)劑（T-9）：贏創(chuàng)（美國空氣化學(xué)）；改性陶粒砂（96~380 μm）：美國Carbo 公司；普通陶粒砂（250~380 μm）：鄭州久泰耐火材料有限公司；阿洛丁1200：德國漢高公司；底漆（無鉻高固體含量環(huán)氧底漆HDY-H06-Y010）、專用稀釋劑：海洋化工研究院有限公司。以上原料均為工業(yè)級。

傅立葉變換紅外光譜儀（FT-IR）：Nicolet IS10，Thermo Scientific 公司；數(shù)字式三維視頻顯微鏡：KH-8700，HIRXO 公司；拉拔儀：PosiTest AT-M，DeFelsko公司；磨耗儀：Taber5155，Taber 公司；摩擦系數(shù)測試儀：MXD-02，濟南蘭光機電技術(shù)有限公司；相機（單反）：60D，Canon公司。

1.2 實驗過程

1.2.1 輕質(zhì)耐磨防滑涂料的制備

防滑涂料由 A、B、C 共 3 個組分組成。A 組分為聚酯多元醇、羥基丙烯酸樹脂與顏填料、助劑和溶劑等的混合物；B 組分含脂肪族多異氰酸酯固化劑、反應(yīng)促進(jìn)劑和溶劑；C組分為改性陶粒砂。配方如表1、表2所示。

按照表1 配方量，將樹脂、分散劑和部分稀釋劑加入物料罐，高速分散30 min；分散均勻后向物料罐繼續(xù)加入顏填料、抗氧劑、消泡劑、流平劑和偶聯(lián)劑，高速分散30 min；分散均勻后將分散好的物料通過砂磨機研磨，研磨至細(xì)度＜40 μm；補齊配方中剩余稀釋劑的量，高速分散15 min，分散均勻后得到防滑涂料A 組分。按照表2 配方量，將脂肪族多異氰酸酯固化劑、促進(jìn)劑和稀釋劑加入物料罐中，高速分散15min，使分散均勻，得到防滑涂料B 組分。將A、B、C 組分按照按照一定質(zhì)量比混合均勻后制得輕質(zhì)耐磨防滑涂料。

表1 輕質(zhì)耐磨防滑涂料A組分的配方Table 1 Formula of lightweight wear-resistant non-skid coating component A

表2 輕質(zhì)耐磨防滑涂料B組分的配方Table 2 Formula of lightweight wear-resistant non-skid coating component B

1.2.2 基材處理及試板制備

（1）基材處理。

本實驗選用的試板為2024-T3鋁板，首先對鋁合金試板進(jìn)行清洗，除去其表面油污及氧化膜，然后用阿洛丁1200對其表面進(jìn)行氧化處理，最后用≥90 ℃的水對表面進(jìn)行封閉處理。

（2）試板制備。

(3)完善保險業(yè)服務(wù)體系建設(shè)。堅持高標(biāo)準(zhǔn)保險機構(gòu)布局，保險機構(gòu)應(yīng)加大網(wǎng)點建設(shè)力度，密切關(guān)注恩施州經(jīng)濟社會發(fā)展需求和地方特色，將與旅游業(yè)緊密相關(guān)的土特產(chǎn)，如茶葉、藥材、魔芋等納入保險范圍，建立特色產(chǎn)品的價格保險，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，將保險資金投入到債券投資計劃、股權(quán)投資計劃，為恩施州旅游休閑產(chǎn)業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供資金支持。

（a）噴涂底漆：噴涂前，先將各組分充分混勻。然后在（23±2）℃下靜置熟化10~15 min，用240 目紗布濾網(wǎng)過濾后再噴涂。噴涂黏度為14~18 s（涂-4#杯），倒入噴槍，工作壓力0.1~0.3 MPa。噴涂1道，干膜厚度控制在20~25 μm。

（b）噴涂防滑涂料：將防滑涂料A 組分、B 組分、C組分混合均勻，再用專用稀釋劑將涂料黏度調(diào)為20~60 s，倒入噴槍，工作壓力0.6~0.8 MPa。待底漆噴涂完成6 h 之后，在常溫及相對濕度20%~85%條件下，噴涂防滑涂料，室溫固化14 d后備用。

1.3 測試表征

按照GB/T 10006—2021 采用摩擦系數(shù)測試儀測試防滑涂層與橡膠表面在干、水、油狀態(tài)下的最大靜摩擦系數(shù)。

參照GB/T 5210—2006測試涂層附著力。

按照ASTM D4060-19 采用磨耗儀測定涂層的耐磨性，使用CS-10#橡膠砂輪，配質(zhì)量500 g。

采用數(shù)字式三維視頻顯微鏡觀察涂層磨痕表面三維形貌。

采用傅立葉變換紅外光譜儀分析涂料A、B 組分和A+B混合固化后的涂層，掃描范圍4 000~400 cm-1，掃描分辨率2 cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 樹脂對涂層性能的影響

圖1 樹脂對涂層耐磨性的影響Fig.1 The influence of different resins on the wear resistance of coatings

由圖1 可知，選用羥基丙烯酸樹脂C 和高羥值聚酯多元醇D進(jìn)行復(fù)配，以異氰酸酯固化劑進(jìn)行固化制備的涂層性能較好。由于涂層含有大量的氨基甲酸酯鍵、醚鍵、酯鍵等，基團間存在大量氫鍵，在外力作用下，氫鍵吸收外來的能量發(fā)生分離，當(dāng)外力除去后又重新生成氫鍵，這種氫鍵裂開又再形成的可逆重復(fù)，可使涂層具有高度機械耐磨性、柔韌性、耐候性、保光性和附著力[9-10]。此外，還采用FT-IR 對輕質(zhì)耐磨防滑涂層A 組分、B 組分和固化后的涂層試樣分別進(jìn)行了紅外表征，如圖2所示。

圖2 防滑涂料A組分、B組分和固化后涂層的紅外光譜Fig.2 Infrared spectra of component A,component B and coating

由圖2的A組分紅外光譜可知，3 522 cm-1處是反應(yīng)活性基團—OH 的伸縮振動吸收峰；從B 組分紅外光譜可知，2 253 cm-1、582 cm-1處分別為—NCO 的反對稱伸縮振動吸收峰和彎曲振動吸收峰。在涂層的紅外光譜中可以發(fā)現(xiàn)，在3 522 cm-1附近沒有出現(xiàn)—OH 特征峰，說明A 組分已經(jīng)基本反應(yīng)完全；在2 253 cm-1和582 cm-1處沒有出現(xiàn)特征峰，說明—NCO已經(jīng)反應(yīng)完全；在3 371 cm-1和1 531 cm-1分別出現(xiàn)NH 的伸縮和彎曲振動峰；在2 932 cm-1和2 861 cm-1處分別為甲基和亞甲基的特征峰；在1 728 cm-1處為氨酯鍵中羰基特征峰；在1 684 cm-1處為脲羰基的伸縮振動峰；在1 461 cm-1和1 337 cm-1處分別是甲基和亞甲基的彎曲振動峰；在1 237 cm-1和1 161 cm-1處是C—O—C 的特征峰[11]。以上說明合成的涂層為目標(biāo)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)。

2.2 防滑顆粒對涂層性能的影響

2.2.1 防滑顆粒改性對涂層附著力的影響

為了提高防滑顆粒在涂層中的結(jié)合強度，實驗選用的防滑顆粒為有機改性陶粒砂，其改性方式為：γ-氨丙基三乙氧基硅烷在水、醇以及高溫條件下水解，并與陶粒砂表面羥基縮合實現(xiàn)改性。將有機基團連接于陶粒砂表面，可提高陶粒砂與防滑涂料樹脂體系的相容性和與涂層的結(jié)合力。同時，陶粒砂的高強度多孔結(jié)構(gòu)使其具有很低的真實密度，有利于實現(xiàn)防滑涂層輕量化，實測輕質(zhì)耐磨防滑涂料面密度（單位面積干膜質(zhì)量）為0.3 kg/m2，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)艦船用防滑涂料面密度3.0 kg/m2。圖3 為改性前后的陶粒砂拉拔破壞試驗后的斷裂面形貌（單反相機拍攝）。

圖3 陶粒砂改性前后涂層破壞形式對比Fig.3 Comparison of coating failure before and after inorganic sand modification

從圖3 可以看出，陶粒砂改性前，涂層破壞形式是陶粒砂與涂層界面破壞，平均附著力3 MPa；陶粒砂改性后，涂層破壞形式是涂層內(nèi)聚破壞，平均附著力4 MPa。因此，陶粒砂改性后，涂層與基材附著力提高。

2.2.2 防滑顆粒粒徑對涂層防滑性能的影響

防滑顆粒的粒徑會影響防滑涂層表面的粗糙度，從而影響涂層的防滑性能。本實驗研究了防滑顆粒粒徑對防滑涂層最大靜摩擦系數(shù)的影響，如圖4所示。由于防滑顆粒粒徑過大，噴涂施工過程中易堵塞噴槍，因此，本實驗只對粒徑在96~380 μm 的防滑顆粒進(jìn)行了對比試驗。

圖4 防滑顆粒粒徑對涂層最大靜摩擦系數(shù)的影響Fig.4 Influence of the non-skid particle size on the maximum static friction coefficient of the coating

由圖4可以看出，隨著防滑顆粒粒徑的減小，涂層最大靜摩擦系數(shù)也逐漸降低，因此，輕質(zhì)耐磨防滑涂料選用粒徑250~380 μm的改性陶粒砂為防滑顆粒。

2.2.3 防滑顆粒用量對涂層防滑性能的影響

防滑顆粒的添加量會影響涂層表面凸起顆粒的密集度，凹凸處的嚙合作用是產(chǎn)生摩擦力的主要原因，所以防滑顆粒的添加量會直接影響涂層的防滑性能[12]。本實驗研究了防滑顆粒添加量（以防滑涂料A 組分和B 組分的總質(zhì)量計）對涂層防滑性能的影響，結(jié)果如圖5、圖6 所示。

圖5 防滑顆粒添加量對涂層形貌的影響Fig.5 Photograph of coating with different addition amounts of non-skid particles

從圖5 可以看出，隨著防滑顆粒添加量的增加，涂層表面凸起顆粒的密集度也明顯增加，但是添加量到12%后，顆粒密集度增加不明顯，這是由于顆粒到一定添加量之后，再增加添加量，顆粒會重疊埋入涂層。

由圖6 可以看出，隨著防滑顆粒添加量的不斷增大，涂層的最大靜摩擦系數(shù)先是急劇增大，隨后增長平緩，即當(dāng)防滑顆粒添加量大于12%后，涂層最大靜摩擦系數(shù)隨添加量的增加而稍有增大，但是增量不明顯。同時，過多的添加防滑顆粒容易使顆粒沉底，導(dǎo)致噴槍堵塞，也會使涂層變重，給飛機增加負(fù)擔(dān)。綜合考慮防滑顆粒對防滑涂料施工、涂層表面狀態(tài)、最大靜摩擦系數(shù)等的影響，確定防滑顆粒的最佳添加量為12%。

2.3 涂層的耐磨損性能

輕質(zhì)耐磨防滑涂料作為一種表面功能型涂料，在使用過程中不可避免會造成一些磨損，本研究通過磨耗儀測試實驗室條件下涂層的耐磨損性，結(jié)果如圖7所示。

圖7 磨損失質(zhì)量隨磨損轉(zhuǎn)數(shù)的變化曲線Fig.7 Variation curve of wear mass loss of the coating with wear times

涂層的磨損過程主要包括3 個階段：初始磨損階段、穩(wěn)定磨損階段、劇烈磨損階段[13-14]。從圖7可以看出，隨著磨損轉(zhuǎn)數(shù)的增加，磨損失質(zhì)量的增幅先快速變小再趨于平穩(wěn)，涂層的磨損過程包括了初始磨損階段和穩(wěn)定磨損階段。在初始磨損階段（磨損轉(zhuǎn)數(shù)3 000 r內(nèi)），涂層的磨損失質(zhì)量的增加量快速變小，由于在該階段，涂層表面局部凸起部分和磨件之間發(fā)生了接觸磨損，導(dǎo)致磨屑脫落，脫落下來的磨屑在切向壓力和法向壓力共同作用下劃傷涂層表面，導(dǎo)致涂層表面出現(xiàn)少量劃痕和較淺的犁溝[如圖8（a）]。在穩(wěn)定磨損階段（磨損轉(zhuǎn)數(shù)3 000~5 000 r），涂層的磨損失質(zhì)量的增幅趨于平穩(wěn)，隨著磨損次數(shù)的增加，涂層表面與磨件之間由點面接觸磨損逐漸變?yōu)槊婷娼佑|磨損，涂層表面的磨損形貌變得較為光滑[如圖8（b）]，磨損過程變得平穩(wěn)。由此可知，輕質(zhì)耐磨防滑涂料在磨損轉(zhuǎn)數(shù)5 000 r 內(nèi)，與對磨件的磨損機制主要是磨損初期的磨粒磨損和磨損穩(wěn)定階段的黏著磨損。

3 結(jié) 語

本實驗研制了一種輕質(zhì)耐磨防滑涂料，研究了樹脂和防滑顆粒對涂層防滑性能、耐磨損性能及通用性能的影響，得出如下結(jié)論。

（1）用羥基丙烯酸樹脂和高羥值聚酯多元醇復(fù)配的樹脂體系，配以顏填料和功能助劑為A 組分，用脂肪族多異氰酸酯固化劑、促進(jìn)劑和溶劑混合成B組分，改性陶粒砂為C 組分，得到的輕質(zhì)耐磨防滑涂層具有面密度低、耐磨損性強、最大靜摩擦系數(shù)大、附著力好的特點。

（2）根據(jù)噴涂性、防滑和輕量化要求，確定了輕質(zhì)耐磨防滑涂料的防滑顆粒粒徑為250~380 μm，最佳添加量為12%，涂層的最大靜摩擦系數(shù)隨著防滑顆粒粒徑的增大而增大。

（3）耐磨防滑涂層磨損失質(zhì)量的增幅隨著磨損次數(shù)的增加而變小，涂層表面僅有少量劃痕和較淺的犁溝，表現(xiàn)出很好的耐磨損性；確定了涂層磨損5 000 r 以內(nèi)的磨損機制主要是初始磨損階段的磨粒磨損和穩(wěn)定磨損階段的黏著磨損。