摘要:通过拉拔附着力试验,确定了环氧底漆和聚氨酯透明漆在碳纤维复合基材上采用湿-湿涂装工艺,漆膜与基材具有良好的附着力,同时具有优良的层间附着力,满足使用要求。
关键词:碳纤维复材;环氧底漆;聚氨酯透明漆;涂装工艺
前言
碳纤维复合材料由碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合制成的纤维增强材料,具有低密度、高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀等诸多优点,广泛用于现代工业制造领域。在航空航天领域,用于制造发动机风扇叶片,使发动机具有更高的涵道比、更低的质量,具有高效率、低噪声、较低燃油消耗率、抗颤振等优势;随着碳纤维材料的不断改进和功能优化,其与铝合金、钛合金、合金钢一起成为飞机机体的四大先进结构材料,在飞机制造中的应用比例不断增加。随着碳纤维材料应用的广泛性,碳纤维保护涂层及其涂装工艺的研究和应用也越来越多。
一、环氧聚氨酯涂料概述
环氧聚氨酯组成是为双组份自干型漆,成份一为聚酯色浆,成份二为专用固化剂。环氧聚氨酯漆具有良好的装饰性和机械性能,硬度和耐磨性较高,且具有耐水、耐油、耐溶剂的特点。
二、复材与涂料
1．复合材料的涂装要求
所涂装的复合材料由两部分组成,主体部分为碳纤维复合材料,侧边包覆金属复合材料;要求在碳纤维复合材料部分涂覆有色底漆,在金属复合材料部分涂覆无色透明底漆,整体涂覆罩光清漆,涂层系统厚度小于60μm;涂覆方式为常规空气喷涂;由于在使用过程中受到外力冲击,要求漆膜具有良好的抗冲性能、打磨性能、层间附着力及干燥性能,可以在室温和加热方式下干燥固化,便于修补。
2.基材处理
由于复合材料表面有一层脱模剂,在涂装前需对表面进行处理,先对表面进行清洗,再用300目以上砂纸对表面进行彻底打磨,最后用乙醇擦拭干净。
3.涂料应用说明
试验中以未包边的碳纤维复材平板为样板,分两种情况:(1)碳纤维复材和金属复材临界部分的涂层体系为有色底漆+无色透明底漆+罩光清漆,碳纤维复材其它部分为有色底漆+罩光清漆。根据材料的结构特点,底漆选用环氧底漆,包括有色环氧底漆和无色环氧底漆;罩光清漆选用聚氨酯透明漆。有色环氧底漆和无色环氧底漆的区别主要在于颜填料、助剂、颜基比,有色环氧底漆涂覆在多孔的复材表面,所用颜填料具有填充效果好、遮盖力高的特点,颜基比60%~70%;无色环氧底漆,填料采用遮盖力小的打磨粉料,颜基比70%~80%;助剂均不用硅氟类的助剂,减少对层间附着的影响。(2)聚氨酯透明漆,由耐候性好、保光保色性能好的长链脂肪族聚酯树脂和聚氨酯固化剂组成树脂体系,具有优异的柔韧性、抗冲击、耐高低温冲击等性能;在不影响光泽和漆膜透明度的情况下添加了无遮盖力的易打磨粉料和树脂,提高漆膜的打磨性,便于漆膜的修补和重涂。
4.拉拔附着力测试
通过拉拔附着力测试对漆膜附着力的情况进行试验。拉拔仪为美国狄夫斯高的拉脱法附着力测试仪;铝锭柱子的直径为20mm;胶为改性丙烯酸酯胶黏剂302胶,市售。试验过程:将被测试板表面打磨,用乙醇擦拭干净,将铝锭柱子用302胶粘在试板上,室温放置24h,用锐利的刀子延铝柱的周线,切透固化了的胶和涂层直至底材,然后用拉拔仪进行测试。
三、在复合材料上的涂装工艺
1.在碳纤维复材平板上的涂装工艺比较
涂装采用湿-湿涂装和干膜涂装,拉拔附着力测试,对比两种涂装工艺对层间附着力的影响。
湿-湿涂装即在表干状态下,喷涂第二道漆;干膜涂装即第一道漆实干后,细砂纸打磨,然后喷涂第二道漆。有色环氧底漆+聚氨酯透明漆不管是湿-湿涂装(A-1)还是干膜涂装(A-2),在拉拔试验中都是有色环氧底漆从基材上完全拉起,说明有色环氧底漆与聚氨酯透明漆层间附着良好,两种涂装方式对其层间附着没有明显影响。有色环氧底漆+无色环氧底漆(A-3)(湿-湿涂装)在做拉拔试验时,从胶断开,没有漆膜层间断裂;在A-4区域,有色环氧底漆+无色环氧底漆为湿-湿涂装,无色环氧底漆+聚氨酯透明漆为干膜涂装,拉拔试验拉拔起部分底漆,白色部分为胶,没有明显涂层间分离面。
B-2和B-3区域拉拔试验从涂层间断开,用细砂纸打磨基材上的断面,有红色粉末,说明漆膜是从有色环氧底漆与无色环氧底漆层间断开;并且在用小刀切铝柱周线时,涂层有明显的断层;说明干膜涂装不利于有色环氧底漆和无色环氧底漆的层间契合。通过试验对比,发现聚氨酯透明漆与环氧底漆在湿-湿涂装和干膜涂装两种涂装方式下均具有较好的层间附着力;而湿-湿涂装更有利于有色环氧底漆与无色环氧底漆的漆膜层间契合。
2.涂装工艺的确定
采用湿-湿涂装工艺,减少涂装时间间隔,通过样板C试验对湿-湿涂装进行确定可以看到,有色环氧底漆+无色环氧底漆(C-1),断裂面在无色环氧底漆和胶之间,有色环氧底漆与无色环氧底漆没有明显断裂面,说明在湿-湿涂装情况下,有色环氧底漆与无色环氧底漆有良好的层间附着力;有色环氧底漆+聚氨酯透明漆(C-3),在拉拔试验中,除右侧两个铝柱是胶与聚氨酯透明漆断开外,其余6个铝柱均是底漆与基材分离,说明聚氨酯透明漆在打磨过的环氧底漆上附着良好,没有分层等缺陷。
3.通过试验,确定在碳纤维复材平板上的涂装工艺如下:(1)清洗、打磨复材平板备用;(2)喷涂有色环氧底漆,厚度(20~25)μm,室温下放置(1~2)h;(3)喷涂无色环氧底漆,厚度(20~25)μm,室温下放置(16~17)h,用300目以上的砂纸打磨,乙醇擦拭干净,喷涂聚氨酯透明漆;或者室温下放置(1~2)h后,放置在60℃的烘箱中30min,取出,冷却至室温,用300目以上的砂纸打磨,乙醇擦拭干净,喷涂聚氨酯透明漆,厚度(20~25)μm。
结束语
结论:根据复合材料的组成特点(碳纤维复合材料,侧边金属复材包边)和涂装要求,确定了涂料种类为有色环氧底漆、无色环氧底漆和聚氨酯透明漆;通过拉拔附着力测试,对比了湿-湿涂装和干膜涂装两种涂装方式对漆膜层间附着力的影响,确定了涂料在复材上的涂装工艺为:先喷涂有色环氧底漆,室温放置1h~2h,再喷涂无色环氧底漆,可在室温放置17h后,打磨,涂装聚氨酯透明漆,或者室温放置1h~2h后,置于60℃烘箱中30min,冷却至室温打磨,再喷涂聚氨酯透明漆。该涂装工艺有利于涂层间的良好契合,干膜具有良好的层间附着力。
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