解立龙1 刘彦章1 范云鹰2 刘意春2 席晓爽2
1 昆明中天达玻璃钢开发有限公司 2 昆明理工大学
摘要：玻璃钢陶瓷复合材料同时兼顾玻璃钢和陶瓷的优点，有望满足轨交车辆轻量化、长寿命、高安全性的需求。涂层具有优良的附着力、光泽、耐沾污性、耐磨擦性能等；陶瓷涂层可以通过物理屏蔽的方式显著降低玻璃钢制品高温下的热释放速率和烟毒性；陶瓷涂层的耐磨性与其硬度并非简单的正相关关系，适度赋予陶瓷涂层一定的柔韧性反而比单纯增加涂层硬度更有利于涂层耐磨性的提高。最后，以玻璃钢座椅作为涂装对象，研究了涂装工艺对玻璃钢异形件产品外观的影响，总结出了合适的涂装方法。
关键词：玻璃钢表面陶瓷复合涂层的开发及应用
前言：防护复合材料的制备主要采用等离子喷涂或火焰喷涂的方法归。来完成，这些方法对复合材料本身的耐热温度有较高的要求，其选用的基材主要为高温环氧树脂、双马来酰亚胺树脂或聚酰亚胺树脂基复合材料，且制造工艺较为复杂。为了简化防护复合材料的制造工艺。
一、概述
玻璃钢（FRP）质轻而硬，机械强度高，耐腐蚀，热稳定性好，是一类应用广泛的复合材料。表面涂装可进一步提升玻璃钢制品质量，在航空航天、轨道交通等对产品外观和功能性要求较高的应用领域，表面涂装已经成为玻璃钢制品生产和加工过程中常见的一道工序。在多数情况下，耐磨、防污、耐高温阻燃的防护涂层都较受欢迎，在轨道交通车辆内部这类人流密集、接触频繁、产品使用周期较长的场合尤为如此。耐磨可以防止触碰摩擦对涂层的破坏，提高使用寿命；防污可以使制品长时间保持清洁美观；耐高温阻燃可以提高应用场合的安全性，增加紧急情况下的逃生时间。在我们最近承接的多个项目中，客户对产品耐磨性、耐高温性能提出了更高的技术要求，传统有机涂料已不能满足需要。基于溶胶-凝胶法制备的纳米陶瓷涂料以甲基硅树脂为主要成膜物，涂层硬度高、耐磨性好、耐高温阻燃、防污性能优异，应用在喷砂不锈钢、铝合金基材表面具有良好的效果。然而，其柔韧性差，且成膜物与大多数有机树脂相容性不好，涂覆在硬度较低、热形变系数较大的塑料或有机涂层表面时容易开裂、可靠性较低。以有机或有机-无机杂化纳米粒子为增韧体的柔性陶瓷涂料在保持传统纳米陶瓷涂层优点的同时，系统解决了其柔韧性差、在有机涂层上附着力不好等问题。另外，柔性陶瓷涂料的性能可以通过增韧体的化学结构、粒径大小、添加量等进行调节，使得柔性陶瓷涂料成为一种可定向设计的高性能、环保型通用面漆。
二、玻璃钢表面陶瓷复合涂层的开发及应用
1.实验原料与设备。玻璃钢样板及SMC玻璃钢座椅：自制；S-300柔性陶瓷罩光清漆/免打磨丙烯酸聚氨酯面漆：工业级，穗时新材料有限公司；环氧底漆/PU中涂：工业级，在打磨、除油的玻璃钢片材上，按照传统的方法依次施工环氧底漆、腻子、PU中涂，彻底干燥后打磨备用。喷涂免打磨面漆，在40 ℃下预干燥25 min后喷涂不同配比的柔性陶瓷清漆，干膜膜厚控制在30 mm，室温下预干燥10 min 后放置在60 ℃下固化24 h。柔性陶瓷清漆由A、B、C 3个组分组成，其中A、B组分用于原位制备成膜所需的甲基硅树脂，C组分为固含45%的增韧乳液。使用时，首先将A、B组分混合搅拌6~8 min 使其成均一体系，期间有明显的放热，在此过程中，A、B组分所含的活性硅氧烷物质水解、缩合生成羟基封端的甲基硅树脂。放置20 min后加入计量的C组分并再次搅拌均匀，用300目以上的丝网过滤即可使用。
由于陶瓷涂料是弱酸性体系且陶瓷涂料的水解、缩合是在酸催化下进行的，因此，陶瓷涂料配制需要在不锈钢、塑料、玻璃等不易遇酸发生反应的容器中进行，搅拌也需要选用不锈钢或四氟乙烯包裹材料，否则容易导致配漆失败或者涂料配置好以后光泽不稳定甚至凝胶。按规定操作，本研究中所制备的柔性陶瓷清漆30 ℃下的适用期均超过24 h。
2.性能测试。取60 g柔性陶瓷罩光清漆A组分，按照质量比1∶1加入陶瓷清漆B组分，快速搅拌6~8 min使A、B组分混合成均一体系，室温放置20 min备用。把上述混合物均匀分成3份，分别加入12 g 1#、2#、3#增韧乳液，搅拌均一后用400目丝网过滤，喷涂在普通载玻片上（膜厚约30 mm），160 ℃固化20 min后，以普通载玻片为空白，按照GB/T 2410—2008测量涂层透光率。陶瓷罩光涂层硬度与耐磨性测试选用3#增韧乳液配制陶瓷清漆，喷涂在240目砂纸打磨的旋转砂轮磨耗测试专用铝盘上，160 ℃固化20 min后，按照测试涂层硬度，测试玻璃钢陶瓷复合涂层的高低温循环交变性能。由于陶瓷涂料是通过硅羟基的缩合实现固化的，这是一个可以自发进行的化学反应，固化温度的高低影响固化的速度，但并不影响固化的最终状态。玻璃钢陶瓷复合涂层的其他性能测试附着力按照GB/T 5210—2006进行测定；耐冲击性按照测试；防火性能参照耐湿热性按照耐水性按照耐酸、耐碱、耐溶剂。
3.复合涂层的结构。其从下到上分别是玻璃钢基材、环氧底漆、腻子、PU中涂、免打磨面漆和柔性陶瓷罩光清漆。由于技术、工艺等原因，刚生产出来的玻璃钢常常有很多表面缺陷，当SMC制品表面有空洞时，若直接采用喷涂涂装，漆膜表面容易形成气孔，因此需选用聚酯腻子进行修补。在修补腻子之前，研究发现在基材上薄喷一道渗透性较好的高光环氧底漆是有价值的。一方面，它封闭玻璃钢加工时产生的针孔弊病，另一方面使玻璃钢基材表面缺陷更容易被观察到，便于后续的腻子修补工作。PU中涂的作用是防止腻子造成局部光泽不均匀。在早期的方案中，尝试选用普通溶剂型丙烯酸聚氨酯涂料作为面漆，但存在2个问题：（1）普通的丙烯酸聚氨酯面漆打磨后才能与陶瓷罩光涂层形成优异的层间附着力；（2）面漆的打磨难度较大，打磨力度大，涂层容易打穿，且陶瓷清漆遮盖不住磨痕，打磨不彻底则层间附着力难以保证。基于此，选用了免打磨水性PU面漆，采用“湿碰湿”工艺喷涂面漆和柔性陶瓷罩光涂层，大大提高了施工效率。在对涂层耐磨性要求略低的应用场合，免打磨面漆和柔性陶瓷罩光清漆可以用一道柔性陶瓷色漆代替。即便如此，在这种情况下，免打磨水性PU面漆加柔性陶瓷清漆的技术方案依然是有价值的，其使用更方便、涂层效果更丰富、光泽更稳定等。柔性陶瓷清漆的配方设计甲基硅树脂与其他类型树脂的相容性不好，选用有机乳液增韧甲基硅树脂时，经常会因为微观结构的折射率差异较大而导致涂层呈乳白色，透光率不高。乳液增韧的陶瓷罩光涂层透光率最低，涂层呈乳白色；1#和3#的涂层透光率最高，且3#陶瓷涂层表现出一定的光学增透效果。从复合涂层设计的目的考虑，3#乳液更适合作为陶瓷罩光清漆的增韧组分。随着增韧乳液添加比例的提高，复合涂层的硬度逐渐降低，然而复合涂层的耐磨性继续提高涂料中增韧乳液比例至1. 0，涂层铅笔硬度进一步降低至4H，涂层磨耗也上升至10. 2 mg。变化趋势说明影响涂层耐磨性的因素不仅仅是涂层硬度，适度赋予涂层一定的柔韧性反而比单纯增加涂层硬度更有利于涂层耐磨性的提高。
结束语：开发了玻璃钢表面用陶瓷复合涂层，研究表明其附着力强、光泽高、防污、耐磨擦性能优异、应用可靠性高，柔性陶瓷涂层还可以通过物理屏蔽的方式显著降低玻璃钢制品高温下的热释放速率和毒气释放速度。
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