摘要：利用有機(jī)硅樹脂對環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性，添加了一定量的納米二硫化鉬、納米鋁粉、導(dǎo)電碳黑和石墨，制作了一種黑色耐磨防腐導(dǎo)電涂料。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)有機(jī)硅樹脂用量為12%，填料為8%，混合溶劑組成為m(丙酮)∶m(醋酸乙酯)∶m(醋酸丁酯)∶m(二甲苯)=2∶1∶1∶1、用量為48%時(shí)，所得涂料耐磨性和防腐性能良好，涂層表面電阻達(dá)到了2.2×104Ω/cm2，具有較好的導(dǎo)電和防電磁性能。該涂料可以應(yīng)用于陸軍武器裝備表面的電磁防護(hù)。
關(guān)鍵詞：導(dǎo)電涂料；有機(jī)硅樹脂；環(huán)氧樹脂；耐磨性；防腐
1·前言
隨著世界各國探測技術(shù)與制導(dǎo)技術(shù)的快速發(fā)展，對武器裝備提出了明確的隱身需求，要求新研制的裝備必須具有一定的隱身防護(hù)性能。由于涂料具有很多優(yōu)點(diǎn)，如使用方便、適應(yīng)現(xiàn)場及在野戰(zhàn)條件下對武器裝備的快速實(shí)施，對武器裝備的外形不需作任何的改動(dòng)，對設(shè)計(jì)不提要求，適宜在現(xiàn)有裝備上推廣使用等，因而吸波涂料作為一種防雷達(dá)波隱身措施而獲得廣泛應(yīng)用[1-2]。雷達(dá)吸波涂料一般由粘結(jié)劑和吸收劑組成。吸收劑大部分為粉劑或纖維狀，如鐵氧體粉、金屬超細(xì)粉末、陶瓷纖維、導(dǎo)電碳黑、石墨、導(dǎo)電高分子材料、納米材料、空心微珠等[3-6]。目前，雷達(dá)吸波涂料采用的樹脂有聚氨酯、環(huán)氧樹脂和氯丁橡膠等[7-8]。環(huán)氧樹脂形式多樣、固化方便、粘附力強(qiáng)，固化后體系收縮性低，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和特殊的化學(xué)穩(wěn)定性，且價(jià)格低廉，是吸波涂料應(yīng)用最廣泛的樹脂基體材料，但其耐磨性、柔韌性較差，需要對其進(jìn)行改性。
本文采用有機(jī)硅樹脂改性環(huán)氧樹脂E-51。有機(jī)硅樹脂具有良好的低溫柔韌性、耐熱性和耐候性，而且表面能低，用其改性環(huán)氧樹脂能提高韌性和耐高溫性能、降低內(nèi)應(yīng)力。但是環(huán)氧樹脂與有機(jī)硅樹脂物理共混的相容性差，很難達(dá)到改性的目的，因而采用化學(xué)方法進(jìn)行共混，即利用有機(jī)硅樹脂中的羥基、氨基、烷氧基與環(huán)氧樹脂中的羥基進(jìn)行縮合反應(yīng)，生成嵌段高聚物[9]，才能實(shí)現(xiàn)有機(jī)硅對環(huán)氧樹脂的化學(xué)改性。另外，在有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂中加入剛性無機(jī)填料(如納米SiO2、MoS2、Al2O3，改性蒙脫土等)進(jìn)一步改性，可以大大提高涂料的耐高溫和耐磨性能。試驗(yàn)表明，改性涂料的附著強(qiáng)度、抗沖擊磨損能力都有很大提高。另外，加入一定量的導(dǎo)電碳黑和石墨，能使涂料涂膜的表面電阻大大降低，從而具有一定的導(dǎo)電能力和防電磁性能。
2·實(shí)驗(yàn)
2.1 主要原料和儀器
環(huán)氧樹脂E-51、有機(jī)硅樹脂和固化劑T31，江西省宜春市卓越化工公司；碳黑(2000目)、石墨粉(3000目)、抗氧化劑1010，天津化學(xué)試劑公司；納米二硫化鉬、納米鋁粉，武漢江北化學(xué)試劑公司；丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯和二甲苯，天津市天大化學(xué)試劑廠。
電子天平(FA2004N)，上海精密科學(xué)儀器有限公司；精密電動(dòng)攪拌器，江蘇金壇市榮華儀器制造有限公司；ACL-385表面阻抗儀，陜西譜脈技術(shù)有限責(zé)任公司；鹽霧試驗(yàn)箱(1804)、MS-255型濕砂橡膠輪磨損試驗(yàn)機(jī)，天津天宇實(shí)驗(yàn)公司。
2.2 涂料制作
首先將環(huán)氧樹脂溶于混合溶劑中，在室溫下完全溶解后加入有機(jī)硅樹脂及涂料助劑，在溫度為40~60°C條件下反應(yīng)2h，然后加入填料和抗氧劑，高速攪拌混合均勻，即可制成黑色耐磨涂料的A組分。在使用的時(shí)候，將A組分和固化劑B組分按照一定的比例混合均勻即可。
2.3 性能測試
2.3.1 耐磨性試驗(yàn)
涂膜耐磨性參照GB/T1768–2006《色漆和清漆耐磨性的測定旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法》，采用濕砂橡膠輪磨損試驗(yàn)，其原理是利用轉(zhuǎn)動(dòng)的橡膠輪帶動(dòng)與水混合的礦砂、砂石、泥沙等磨料對各種金屬或非金屬材料產(chǎn)生磨損，根據(jù)失重量測定材料的相對磨損性。涂層厚度為(25±5)μm，材料使用45鋼基體，轉(zhuǎn)速為600r/min，載荷40N。實(shí)驗(yàn)前先預(yù)磨200轉(zhuǎn)，準(zhǔn)確稱重后開始正式實(shí)驗(yàn)。磨損1000轉(zhuǎn)后，準(zhǔn)確稱重，計(jì)算相對磨損率。
2.3.2 鹽霧箱加速腐蝕試驗(yàn)
此試驗(yàn)用于驗(yàn)證不同含量的有機(jī)硅樹脂對涂料涂膜的防腐蝕性能。用A3鋼、炮鋼、20鋼、45鋼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中炮鋼為武器裝備中常用的PCrNiMoV合金鋼。試片規(guī)格為25mm×50mm×3mm，按GB/T9271–2008《色漆和清漆標(biāo)準(zhǔn)試板》規(guī)定的方法進(jìn)行處理，然后將混合好的不同含量的有機(jī)硅樹脂涂料分別噴涂于試片表面，完全干燥后膜厚為0.03mm，置于鹽霧箱中。為了與本涂料進(jìn)行對比，將空白的各試片置于鹽霧箱中，同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。鹽霧試驗(yàn)條件依據(jù)GB/T10125–1997《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)》設(shè)定，試驗(yàn)參照GB/T1771–1991《色漆和清漆耐中性鹽霧性能的測定》進(jìn)行。
2.3.3 表面電阻的測定
按照GB/T1410–2006《固體絕緣材料體積電阻率和表面電阻率試驗(yàn)方法》進(jìn)行測試。
3·結(jié)果與討論
3.1 耐磨性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了增加涂層的表面耐磨性能，在涂料中添加了納米二硫化鉬，該物質(zhì)具有優(yōu)良的耐磨性能。納米二硫化鉬的用量對涂膜耐磨性的影響見表1。
表1 納米二硫化鉬的用量對涂膜耐磨性的影響
由表1可知，隨著納米二硫化鉬添加比例的增加，涂層的相對磨損率有了明顯的降低，但是當(dāng)其含量在涂料中大于1.0%時(shí)，涂層的相對磨損率變化不大。綜合考慮成本，在填料中添加12%的納米二硫化鉬，即其在涂料中的用量為1.0%。
3.2 有機(jī)硅樹脂含量對涂層防腐性能的影響
本涂料主要成膜物質(zhì)是環(huán)氧樹脂，該樹脂形成涂層后具有優(yōu)異的附著力、高填充量、耐化學(xué)藥品、高防腐蝕性能和耐水性。但是由于環(huán)氧樹脂涂層表面的柔韌性和耐候性較差，同時(shí)脆性較大，加速防腐性能較差，因此通過增加柔韌性能較好的有機(jī)硅樹脂，使涂層的表面性能得到改善。有機(jī)硅樹脂用量對涂層耐蝕性的影響見表2�？梢钥闯�，隨著有機(jī)硅樹脂含量的增加，涂膜的防腐性能得到了很大的提高，但是當(dāng)有機(jī)硅樹脂含量大于12%以后，防腐性能的提高并不明顯，故本涂料選擇有機(jī)硅樹脂含量為12%。
表2 有機(jī)硅樹脂含量對涂層的鹽霧腐蝕試驗(yàn)結(jié)果
3.3 填料用量對涂層導(dǎo)電性能的影響
碳黑、石墨和納米鋁粉都是電的良好導(dǎo)體，具有很好的導(dǎo)電性能和電磁屏蔽性能。以碳黑、石墨和納米鋁粉為填料，其用量對涂膜表面電阻率的影響見圖1。
圖1 涂層表面電阻率隨填料用量的變化
由圖1可知，當(dāng)碳黑、石墨和納米鋁粉混合填料的用量從4%增加到6%時(shí)，涂層的表面電阻急劇下降；當(dāng)填料用量超過8%，涂層的表面電阻率降低緩慢，同時(shí)，填料用量過大會(huì)降低涂層的附著力。因此，綜合涂層的物理性能和導(dǎo)電性能，填料最佳的添加比例為8%，此時(shí)所得涂膜的表面電阻率為2.2×104Ω/cm2，涂膜對電磁波具有一定的防護(hù)性能。
3.4 混合溶劑的確定
涂料中使用溶劑是為了將基料溶解成具有適當(dāng)黏度的溶液，便于噴涂或涂刷，得到均勻的涂層，而在噴涂或涂刷后又必須使溶劑從涂層中揮發(fā)掉。因此，溶劑的選擇十分重要。經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，能夠完全溶解環(huán)氧樹脂和有機(jī)硅樹脂的溶劑有醋酸乙酯、醋酸丁酯、醋酸戊酯、丙酮、丁酮、甲基異丁酮、甲苯、二甲苯等�？紤]到成膜的速度和溶解度參數(shù)，經(jīng)過大量的試驗(yàn)確定了該涂料的溶劑及配比為：m(丙酮)∶m(醋酸乙酯)∶m(醋酸丁酯)∶m(二甲苯)=2∶1∶1∶1。在此條件下得到的涂層表面比較平整，在室溫下，表干時(shí)間為2h，實(shí)干時(shí)間為24h左右。
3.5 涂料性能測試結(jié)果
根據(jù)上述試驗(yàn)確定的涂料配方為(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示)：
涂料配方
其中，填料是由碳黑(2000目)40%、石墨粉(3000目)10%、納米二硫化鉬12%和納米鋁粉38%混合而成(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))，混合溶劑由丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯和二甲苯按質(zhì)量比2∶1∶1∶1組成。按此配方研制的涂料具有一定的耐磨、防腐和導(dǎo)電功能，可以用作防電磁材料。涂料涂膜的主要性能測定結(jié)果見表3。
表3 涂膜主要性能測試結(jié)果
4·結(jié)論
以環(huán)氧樹脂為主要成膜物研制了一種耐磨、防腐和導(dǎo)電的涂料，該涂料在常溫下即可固化，2h即可表干，24h左右實(shí)干。涂料經(jīng)過有機(jī)硅樹脂改性后，成膜具有良好的耐鹽霧性能；添加一定量的納米二硫化鉬后，涂層耐磨性具有很大的改善；通過添加具有導(dǎo)電性能的填料(包括碳黑、石墨粉和鋁粉)，涂層表面電阻達(dá)到了2.2×104Ω/cm2，具有一定的導(dǎo)電性能，從而獲得一定的防電磁性能，可廣泛應(yīng)用于陸軍裝備表面的電磁防護(hù)。
