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飞机舱内装饰用水性双组分聚氨酯涂料的制备,制备了一种飞机舱内装饰用水性双组分聚氨酯涂料
2019年10月05日    阅读量:1657     新闻来源:中国建材网 cnprofit.com    |  投稿

0 引言

近年来,我国航空工业获得了大力的发展,尤其是国产支线飞机的运营和“大飞机”项目的启动,使得我国的航空涂料进入快速发展、壮大的时期。根据使用部位和防护效果不同,航空涂料可分为蒙皮涂料、舱内装饰涂料、隔热降噪阻尼涂料、耐高温涂料等。

飞机舱内装饰涂料可分为溶剂型涂料和水性涂料两种中国建材网cnprofit.com。早在20 世纪80 年代初期,溶剂型飞机舱内装饰涂料已被广泛应用。但溶剂型涂料成膜后,漆膜中会长时间残留有溶剂,这对飞机舱内而言,溶剂会一直存在于密闭环境中,对施工者和乘客的健康都有一定的影响。随着人们环保意识的增强及水性涂料的发展,越来越多的飞机舱内装饰溶剂型涂料被水性涂料所取代。

本研究制备了一种飞机舱内装饰用水性双组分聚氨酯涂料,并讨论了水性树脂、固化剂、阻燃剂、抗划伤剂等对漆膜的附着力、阻燃性、耐沾污性、抗划痕性等性能的影响。

 

1 实验部分

1.1 原材料

水性羟基丙烯酸树脂,美国氰特公司;钛白粉,德国KORONS 公司;环保型溴系阻燃剂,美国雅宝公司;氢氧化铝阻燃剂,美国雅宝公司;三氧化二锑阻燃剂,山东锑业;HDI(六亚甲基二异氰酸酯)固化剂,德国拜耳公司;聚乙烯蜡,美国微粉公司(MPI);润湿分散剂,德国毕克化学;表面润湿剂,德国毕克化学。

1.2 基本配方

飞机舱内装饰用水性双组分聚氨酯涂料的配方如下:

原材料名称 w/%

水性羟基丙烯酸树脂 36.0

钛白粉 18.0

环保型溴系阻燃剂

三氧化二锑阻燃剂 26.0

氢氧化铝阻燃剂

润湿分散剂 2.0

表面润湿剂 0.5

聚乙烯蜡 1.5

去离子水 16.0

合计 100.0

1.3 制备方法

(1) 在干净的调漆缸内,按照配方量分别投入1/3 水性羟基丙烯酸树脂,以及润湿分散剂和2/3 去离子水,启动搅拌器,在低速搅拌下,分别加入钛白粉、环保型溴系阻燃剂、三氧化二锑阻燃剂和氢氧化铝阻燃剂,高速搅拌30 min 后,停止搅拌,启动砂磨机进行砂磨至细度15 μm 以下,过滤,出料,备用。

(2) 在干净的调漆缸内,按照配方量投入剩余的水性羟基丙烯酸树脂,在低速搅拌下加入剩余的去离子水、聚乙烯蜡和表面润湿剂,中速搅拌15 min后,加入上述制得的浆料,中速搅拌10 min 后,用200 目绢丝布过滤,出料。

(3) 将上述制得的漆料和HDI 固化剂以6∶1 的配比混合,即制得飞机舱内装饰用水性双组分聚氨酯涂料。

1.4 性能检测

飞机舱内装饰用水性双组分聚氨酯涂料的性能检测结果见表1。

飞机舱内装饰用水性双组分聚氨酯涂料的制备,制备了一种飞机舱内装饰用水性双组分聚氨酯涂料 中国建材网,cnprofit.com

飞机舱内装饰用水性双组分聚氨酯涂料的性能检测结果

2 结果与讨论

2.1 水性树脂的选择

对飞机舱内而言,涂料需要附着在多种基材上,包括以聚碳酸酯为主的塑料基材以及铝合金基材,因此选用的水性树脂应对各种不同的基材有广泛的适用性,配制的水性涂料应具有一定的耐光性,因此,需要选择保光性、保色性均良好的水性树脂来满足性能要求。

本实验选用了水性羟基丙烯酸树脂、水性自交联单组分丙烯酸树脂和水性聚氨酯分散体(PUD),各种水性树脂在不同基材上的附着力、耐光性的影响见表2、表3。

表2 各种水性树脂对铝合金基材附着力的影响

飞机舱内装饰用水性双组分聚氨酯涂料的制备,制备了一种飞机舱内装饰用水性双组分聚氨酯涂料 中国建材网,cnprofit.com

表2 各种水性树脂对铝合金基材附着力的影响

表3 各种水性树脂对塑料基材附着力的影响

表3 各种水性树脂对塑料基材附着力的影响

由表2 和表3 可见:水性羟基丙烯酸树脂和异氰酸酯固化剂组成的双组分体系,其羟基与异氰酸酯基发生加聚反应,从而形成三维网状涂膜,使其在塑料及铝合金基材上都有良好的附着力,在湿膜、潮湿状态下的附着力均优于自交联型丙烯酸树脂及水性聚氨酯分散体,且其耐光性也较好。因此,选择水性羟基丙烯酸树脂作为涂料的主体树脂。



2.2 固化剂的选择

由于要求飞机舱内装饰用涂料具有一定的耐光性,故选择脂肪族异氰酸酯HDI(六亚甲基二异氰酸酯)三聚体或IPDI(异氟尔酮二异氰酸酯)三聚体作为固化剂。HDI 作为固化剂形成的漆膜具有极佳的耐化学品性;IPDI 作为固化剂具有快干、硬度高等特性,其与羟基的反应速度比HDI 与羟基的反应速度快4~5倍。分别选用HDI 和IPDI 固化剂与水性羟基丙烯酸树脂按相同n(—NCO)/n(—OH)配比混合固化,比较其在塑料及铝合金基材上的性能差异,结果见表4。

不同固化剂对涂料性能的影响

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由表4 可见:IPDI 固化剂干燥快,成膜过程中漆膜表面过早封闭,使内部的水分未得到充分的挥发,成膜后漆膜表面无光、弊病较多,且在湿膜状态下漆膜酥软,附着力低于7 级;HDI 虽然干燥较慢,但成膜过程中水分能得到充分地挥发,且成膜后漆膜表面弊病较少,在湿膜、潮湿状态下附着力较好,且耐光性较IPDI 固化剂好。因此,选择HDI 作为体系的固化剂。


2.3 n(—NCO)/n(—OH)比例的选择

作为双组分水性涂料,—NCO 不可避免会与水和羟基进行反应。一般来说,—NCO 与羟基的反应速率要比与水的反应速率快,但是—NCO 也会与水反应生成脲。为了保证n(—NCO)/n(—OH)的比例,通常使—NCO 过量来满足涂料性能的要求。n(—NCO)/n(—OH)的比例对涂料性能的影响见表5。

n(—NCO)/n(—OH)比例对涂料性能的影响

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由表5 可见:n(—NCO)/n(—OH)比例为1 时,涂膜交联密度较小,交联程度疏松,从而使湿膜及潮湿状态下的附着力低于7 级,含污渍的液体容易渗入且在漆膜表面留下印痕,使色差变大;当其比例为1.5 时,残余的—NCO 会与水反应形成脲,降低漆膜在塑料基材上湿膜状态下的附着力,含污渍的液体中所含的水分会与多余的—NCO 结合,在漆膜表面留下较深的印痕;当其比例为1.2 时,在各个板材上的附着力均大于7 级,含污渍的液体留在漆膜表面的印痕较浅,色差较小。因此,选择n(—NCO)/n(—OH)在1.2 时,能满足性能要求。


2.4 阻燃剂的选择

2.4.1 阻燃剂类型的选择

阻燃性是飞机舱内装饰用涂料的一项重要性能,需要添加一定的阻燃剂以满足涂料性能要求。一般将阻燃剂分为有机和无机两种类型。有机阻燃剂以溴系、氮磷系、氮系和磷系及其化合物为代表;无机阻燃剂主要以三氧化二锑、氢氧化镁、氢氧化铝等为代表。由于有机溴系阻燃剂中的多溴联苯醚类在燃烧中会释放出多溴代二苯并二英(PBDD)和多溴代二苯并呋喃(PBDF)而被环保部门所禁用,因此在试验中选用了环保型溴系阻燃剂。各种阻燃剂对阻燃性的影响见表6。

各种阻燃剂对阻燃性的影响

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由表6 可见:环保型溴系阻燃剂受热分解产生HBr,而HBr 能够很快捕捉到传递燃烧链式反应的自由基(如OH·、O·、H·),从而转化成反应活性较低的溴自由基,能够有效地延缓燃烧速度,因此阻燃效果最好。三聚氰胺在受热条件下吸热,分解生成不燃气体,可稀释可燃物,从而降低表面温度及起到隔氧的作用,减小燃烧速度。


多聚磷酸铵燃烧时可形成强脱水剂,使燃烧物脱水而炭化,并在表面形成碳膜,从而阻隔空气和热,减小燃烧速度,同时能够起到一定的抑烟和防止滴落的作用。氢氧化铝在燃烧时充分发挥其结合水蒸汽而大量吸热的特性,通过提高燃烧物的热容,使其达到热分解温度前吸收更多的热量,从而提高阻燃性能,虽然其阻燃效果不佳,但抑烟和防滴落物的作用较大。


2.4.2 协同阻燃剂的选择

单一阻燃剂对阻燃效果的影响并不明显,阻燃剂的协同效应会使阻燃效果达到最佳。常用的协同阻燃剂体系有溴- 磷、溴- 锑白、氮- 磷。协同阻燃剂对阻燃性的影响见表7,协同阻燃剂对涂料性能的影响见表8。

协同阻燃剂对阻燃性的影响

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由表7 可见:协同阻燃剂能有效提高阻燃性能,溴- 三氧化二锑- 氢氧化铝、溴- 磷- 氢氧化铝、氮-磷- 氢氧化铝协同后不仅能减少自熄时间和燃烧长度,而且能防止滴落,缩短滴落物的自熄时间。

协同阻燃剂对涂料性能的影响

飞机舱内装饰用水性双组分聚氨酯涂料的制备,制备了一种飞机舱内装饰用水性双组分聚氨酯涂料 中国建材网,cnprofit.com

由表8 可见:溴系、三氧化二锑阻燃剂的疏水性强,漆膜紧实,耐水性、耐沾污性和耐磨性均好;三聚氰胺、多聚磷酸铵遇水容易发胀,水溶性好,漆膜疏松,耐水性、耐沾污性和耐磨性较差。由此可见,溴- 三氧化二锑- 氢氧化铝协同阻燃性能好,且对附着力和耐沾污性的影响均较小,故选用作阻燃剂体系。


2.5 抗划伤剂的选择

在使用过程中飞机舱内涂层不可避免地会被刮伤或碰擦,因此,要求飞机舱内用的涂料能够承受5 kg 的抗划痕载荷。

本实验选择了氟改性抗划伤剂、聚硅氧烷抗划伤剂、聚乙烯蜡、聚四氟乙烯蜡、聚丙烯蜡、绒毛粉来对比漆膜表面的抗划痕性、阻燃性、耐沾污性等性能。抗划伤剂对抗划痕性的影响见图1,对涂料性能的影响见表9。

抗划伤剂用量对抗划痕性的影响

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抗划伤剂对涂料性能的影响

由图1 和表9 可见:氟改性抗划伤剂和聚硅氧烷抗划伤剂即使添加到最大量也无法满足载荷5 kg的要求;绒毛粉具有弹性,其弹性随着其添加量的增加而增大,当其添加量达到3% 后,弹性的微球能够均匀分散在漆膜表面并形成叠加,当载荷5 kg 在漆膜表面通过时能够均匀承受载荷力,添加到一定量后,其承受载荷力趋于稳定,但是绒毛粉中含有大量的C—H 键,助燃成分多,燃烧时间最长;


蜡粉具有硬度和滑爽性,聚乙烯蜡能在1.5%~2% 添加量下达到5 kg 的载荷,随着其添加量增加能够达到最高7 kg 的载荷,且阻燃性和耐沾污性好。相同添加量下,聚丙烯蜡也能达到5 kg 的载荷,但随着其添加量增加所能达到的载荷力有限,且其所含C—H 键较聚乙烯蜡多,阻燃性次之。


聚四氟乙烯蜡在相同添加量下,也能达到载荷力,但其在燃烧时会产生大量黑烟,且燃烧时间相对较长。因此,选择聚乙烯蜡作为抗划伤剂,其添加量为1.5%~2%。

 

3 结语

(1) 选用水性羟基丙烯酸树脂与HDI 固化剂配套,使附着力在湿膜及潮湿状态下≥ 7 级,且耐光性好。

(2) n( —NCO)/n( —OH)比例在1.2 时,漆膜性能最佳。

(3) 选用溴- 三氧化二锑- 氢氧化铝协同阻燃剂,阻燃性、附着力、耐沾污性、耐磨性均较好。

(4) 选用聚乙烯蜡抗划伤剂能在其1.5%~2% 添加量下承受5 kg 载荷,且对阻燃性影响较小。


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