黑色耐磨防腐导电涂料的研制

黑色耐磨防腐导电涂料的研制

米伟娟1,李志广2, *,贾金娜1
(1.河北传媒学院信息技术系,河北 石家庄 050051;2.石家庄军械工程学院理化教研室,河北 石家庄 050003)

1 前言
随着世界各国探测技术与制导技术的快速发展,对武器装备提出了明确的隐身需求,要求新研制的装备必须具有一定的隐身防护性能。由于涂料具有很多优点,如使用方便、适应现场及在野战条件下对武器装备的快速实施,对武器装备的外形不需作任何的改动,对设计不提要求,适宜在现有装备上推广使用等,因而吸波涂料作为一种防雷达波隐身措施而获得广泛应用[1-2]。雷达吸波涂料一般由粘结剂和吸收剂组成。吸收剂大部分为粉剂或纤维状,如铁氧体粉、金属超细粉末、陶瓷纤维、导电碳黑、石墨、导电高分子材料、纳米材料、空心微珠等[3-6]。目前,雷达吸波涂料采用的树脂有聚氨酯、环氧树脂和氯丁橡胶等[7-8]。环氧树脂形式多样、固化方便、粘附力强,固化后体系收缩性低,具有优异的力学性能和特殊的化学稳定性,且价格低廉,是吸波涂料应用最广泛的树脂基体材料,但其耐磨性、柔韧性较差,需要对其进行改性。本文采用有机硅树脂改性环氧树脂E-51。有机硅树脂具有良好的低温柔韧性、耐热性和耐候性,而且表面能低,用其改性环氧树脂能提高韧性和耐高温性能、降低内应力。但是环氧树脂与有机硅树脂物理共混的相容性差,很难达到改性的目的,因而采用化学方法进行共混,即利用有机硅树脂中的羟基、氨基、烷氧基与环氧树脂中的羟基进行缩合反应,生成嵌段高聚物[9],才能实现有机硅对环氧树脂的化学改性。另外,在有机硅改性环氧树脂中加入刚性无机填料(如纳米SiO2、MoS2、Al2O3,改性蒙脱土等)进一步改性,可以大大提高涂料的耐高温和耐磨性能。试验表明,改性涂料的附着强度、抗冲击磨损能力都有很大提高。另外,加入一定量的导电碳黑和石墨,能使涂料涂膜的表面电阻大大降低,从而具有一定的导电能力和防电磁性能。

2 实验
2. 1 主要原料和仪器
环氧树脂E-51、有机硅树脂和固化剂T31,江西省宜春市卓越化工公司;碳黑(2 000 目)、石墨粉(3 000 目)、抗氧化剂1010,天津化学试剂公司;纳米二硫化钼、纳米铝粉,武汉江北化学试剂公司;丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯和二甲苯,天津市天大化学试剂厂。电子天平(FA2004N),上海精密科学仪器有限公司;精密电动搅拌器,江苏金坛市荣华仪器制造有限公司;ACL-385 表面阻抗仪,陕西谱脉技术有限责任公司;盐雾试验箱(1804)、MS-255 型湿砂橡胶轮磨损试验机,天津天宇实验公司。
2. 2 涂料制作
首先将环氧树脂溶于混合溶剂中,在室温下完全溶解后加入有机硅树脂及涂料助剂,在温度为40 ~60 °C 条件下反应2 h,然后加入填料和抗氧剂,高速搅拌混合均匀,即可制成黑色耐磨涂料的A 组分。在使用的时候,将A 组分和固化剂B 组分按照一定的比例混合均匀即可。
2. 3 性能测试
2. 3. 1 耐磨性试验
涂膜耐磨性参照GB/T 1768–2006《色漆和清漆 耐磨性的测定 旋转橡胶砂轮法》,采用湿砂橡胶轮磨损试验,其原理是利用转动的橡胶轮带动与水混合的矿砂、砂石、泥沙等磨料对各种金属或非金属材料产生磨损,根据失重量测定材料的相对磨损性。涂层厚度为(25 ± 5) μm,材料使用45 钢基体,转速为600 r/min,载荷40 N。实验前先预磨200 转,准确称重后开始正式实验。磨损1 000 转后,准确称重,计算相对磨损率。
2. 3. 2 盐雾箱加速腐蚀试验
此试验用于验证不同含量的有机硅树脂对涂料涂膜的防腐蚀性能。用A3 钢、炮钢、20 钢、45 钢进行实验,其中炮钢为武器装备中常用的PCrNiMoV 合金钢。试片规格为25 mm × 50 mm × 3 mm,按GB/T9271–2008《色漆和清漆 标准试板》规定的方法进行处理,然后将混合好的不同含量的有机硅树脂涂料分别喷涂于试片表面,完全干燥后膜厚为0.03 mm,置于盐雾箱中。为了与本涂料进行对比,将空白的各试片置于盐雾箱中,同时进行实验。盐雾试验条件依据GB/T10125–1997《人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》设定,试验参照GB/T 1771–1991《色漆和清漆 耐中性盐雾性能的测定》进行。
2. 3. 3 表面电阻的测定
按照GB/T 1410–2006《固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法》进行测试。

3 结果与讨论
3. 1 耐磨性能实验结果
为了增加涂层的表面耐磨性能,在涂料中添加了纳米二硫化钼,该物质具有优良的耐磨性能。纳米二硫化钼的用量对涂膜耐磨性的影响见表1。
表1 纳米MoS2 的用量对涂层耐磨性的影响

由表1 可知,随着纳米二硫化钼添加比例的增加,涂层的相对磨损率有了明显的降低,但是当其含量在涂料中大于1.0%时,涂层的相对磨损率变化不大。综合考虑成本,在填料中添加12%的纳米二硫化钼,即其在涂料中的用量为1.0%。
3. 2 有机硅树脂含量对涂层防腐性能的影响
本涂料主要成膜物质是环氧树脂,该树脂形成涂层后具有优异的附着力、高填充量、耐化学药品、高防腐蚀性能和耐水性。但是由于环氧树脂涂层表面的柔韧性和耐候性较差,同时脆性较大,加速防腐性能较差,因此通过增加柔韧性能较好的有机硅树脂,使涂层的表面性能得到改善。有机硅树脂用量对涂层耐蚀性的影响见表2。可以看出,随着有机硅树脂含量的增加,涂膜的防腐性能得到了很大的提高,但是当有机硅树脂含量大于12%以后,防腐性能的提高并不明显,故本涂料选择有机硅树脂含量为12%。
表2 不同有机硅树脂用量的涂层的盐雾腐蚀试验结果

3. 3 填料用量对涂层导电性能的影响
碳黑、石墨和纳米铝粉都是电的良好导体,具有很好的导电性能和电磁屏蔽性能。以碳黑、石墨和纳米铝粉为填料,其用量对涂膜表面电阻率的影响见图1。

图1 涂层表面电阻率随填料用量的变化
由图1 可知,当碳黑、石墨和纳米铝粉混合填料的用量从4%增加到6%时,涂层的表面电阻急剧下降;当填料用量超过8%,涂层的表面电阻率降低缓慢,同时,填料用量过大会降低涂层的附着力。因此,综合涂层的物理性能和导电性能,填料最佳的添加比例为8%,此时所得涂膜的表面电阻率为2.2 × 104 Ω/cm2,涂膜对电磁波具有一定的防护性能。
3. 4 混合溶剂的确定
涂料中使用溶剂是为了将基料溶解成具有适当黏度的溶液,便于喷涂或涂刷,得到均匀的涂层,而在喷涂或涂刷后又必须使溶剂从涂层中挥发掉。因此,溶剂的选择十分重要。经过试验发现,能够完全溶解环氧树脂和有机硅树脂的溶剂有醋酸乙酯、醋酸丁酯、醋酸戊酯、丙酮、丁酮、甲基异丁酮、甲苯、二甲苯等。考虑到成膜的速度和溶解度参数,经过大量的试验确定了该涂料的溶剂及配比为:m(丙酮)∶m(醋酸乙酯)∶m(醋酸丁酯)∶m(二甲苯)= 2∶1∶1∶1。在此条件下得到的涂层表面比较平整,在室温下,表干时间为2 h,实干时间为24 h 左右。
3. 5 涂料性能测试结果
根据上述试验确定的涂料配方为(以质量分数表示):
环氧树脂E-51 20%
有机硅树脂 12%
填料 8%
抗氧化剂1010 1%
涂料助剂 1%
固化剂T31 10%
混合溶剂 48%
其中,填料是由碳黑(2 000 目)40%、石墨粉(3 000 目)10%、纳米二硫化钼12%和纳米铝粉38%混合而成(均为质量分数),混合溶剂由丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯和二甲苯按质量比2∶1∶1∶1 组成。按此配方研制的涂料具有一定的耐磨、防腐和导电功能,可以用作防电磁材料。涂料涂膜的主要性能测定结果见表3。

4 结论
以环氧树脂为主要成膜物研制了一种耐磨、防腐和导电的涂料,该涂料在常温下即可固化,2 h 即可表干,24 h 左右实干。涂料经过有机硅树脂改性后,成膜具有良好的耐盐雾性能;添加一定量的纳米二硫化钼后,涂层耐磨性具有很大的改善;通过添加具有导电性能的填料(包括碳黑、石墨粉和铝粉),涂层表面电阻达到了2.2 × 104 Ω/cm2,具有一定的导电性能,从而获得一定的防电磁性能,可广泛应用于陆军装备表面的电磁防护。

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