一种水性聚氨酯涂层红外发射率的研究

肖圣荣，张 桐，王智勇，刘鹏瑞



一种水性聚氨酯涂层红外发射率的研究

肖圣荣，张 桐，王智勇，刘鹏瑞

（北京航空材料研究院，北京 100095）

本文以铝粉作为功能填料，分别与水性聚氨酯和溶剂型聚氨酯配合制备了红外低发射率隐身涂层，并采用红外光谱、扫描电镜等手段测试了涂层的力学性能、耐溶剂性能和法向红外发射率性能。结果表明，两种功能涂层在力学性能和耐溶剂性能方面性能相当。水性涂层在3～5mm和8～14mm窗口内发射率分别为0.33和0.52，高于溶剂型涂层的0.32和0.39；涂层的发射率随着铝粉粒径的增大而降低，当粒径约为45mm时，涂层的红外发射率可降至0.34@3～5mm和0.42@8～14mm，这与溶剂型聚氨酯涂层的发射率相当。因此，采用水性聚氨酯替代溶剂型聚氨酯制备低污染性、环境友好的红外隐身涂层是有可能的。

水性涂料；聚氨酯；红外隐身；红外发射率

0 前言

随着探测手段的不断发展，红外探测技术已成为战场侦测和武器制导所使用的重要手段之一，已成为继雷达探测之后又一严重威胁各种军事目标的探测手段[1-3]。通过在飞行器表面涂覆发射率较低的红外发射率隐身涂层，能够有效降低红外辐射特征值，从而达到红外隐身效果。目前国内使用的红外隐身涂料均采用各种溶剂型树脂作为涂层的粘结剂体系，因此含有大量的有机溶剂，在涂料施工过程中会造成环境污染，并极易危害施工人员的身体健康[4-5]。

随着人们环保意识的增加，以及各个国家对VOC（Volatile Organic Compound，挥发性有机化合物）排放量的严格限制，综合性能优良、又具备环保、无毒、低VOC排放量的水性聚氨酯涂料有着广阔的应用前景[6-8]。水性聚氨酯涂料具有与溶剂型聚氨酯相当的力学性能之外，还有环保、无毒、低气味等优点。水性聚氨酯涂料在军用产品有着广泛的用途，在一些领域已完全替代溶剂型聚氨酯使用，如飞行器内表面用涂料、各种军事装备、设施的防护、装饰用涂料等[9-12]。但对于具有特殊功能的水性聚氨酯涂料的研究相对较少，在红外低发射率涂层研制领域，还没有水性聚氨酯的应用报道。

本文采用双组分的水性聚氨酯作为红外低发射率涂料的粘结剂体系，配合经过二氧化硅薄层包覆处理过的水性铝银浆制备出具有低发射率的功能涂层[13]，将水性聚氨酯涂料的优异的力学性能、环保、低VOC含量等特点引入低红外发射率功能涂层，探索了双组份水性聚氨酯涂料用于红外隐身涂料的可能性。

1 实验

1.1 实验原料

实验所用的主要原材料见表1。

1.2 涂层制备

水性聚氨酯清漆涂层采用水性羟基丙烯酸树脂Bayhydrol xp2542和水性二异氰酸酯Bayhydur xp2655配合制成，溶剂型聚氨酯清漆涂层采用羟基丙烯酸树脂Desmophen A870和二异氰酸酯Desmodur N3400配合制成。制备红外低发射率涂层则在上述粘结剂体系中分别加入一定比例的铝银浆、颜料及功能性助剂，采用锥形磨研磨分散，采用压缩空气喷涂在100 mm×50 mm×1 mm的铝板上，喷涂之前需对基板进行预处理：除油除锈→水洗→砂纸打磨→丙酮擦洗→烘干待用；喷涂时控制喷涂压力在0.2～0.4 MPa，涂层厚度控制在40～50mm，涂层表干后，置于80℃烘箱烘烤2 h后，再进行相关的性能测试。

1.3 涂层测试与表征

采用CI SR5000型红外光谱辐射计及CI公司（以色列）制造的标准腔黑体测试涂层在50℃下的法向红外发射率；采用CamScan3100扫描电子显微镜（英国）对涂层样品进行微观表面形貌分析；采用尼高力（Nicolet）AVATAR370傅里叶红外光谱仪（美国）进行涂层固化前后官能团结构表征；采用磁性测厚仪测量涂层的厚度；参照《GB/T 6739-2006色漆和清漆铅笔法测定漆膜硬度》测试涂层的铅笔硬度；参照《GB/T 1732-1993漆膜耐冲击测定法》，采用漆膜冲击器测试涂层的耐冲击性能；参照《GB/T 1731-1993漆膜柔韧性测定法》，采用漆膜弯曲实验器表征涂层的柔韧性能；参照《GB/T 9286-1998色漆和清漆漆膜的划格试验》，采用漆膜附着力实验仪测试涂层的附着力；参照标准《HG2-1611-85漆膜耐油性测定法》测试涂层的耐液体介质性。

2 结果与讨论

2.1 两种聚氨酯涂层的力学性能比较

本文分别采用水性聚氨酯和溶剂型聚氨酯制备涂层，(-NCO)与(-OH)的比例均为1.5。力学性能测试选择了涂料行业中最常见的铅笔硬度、柔韧性、耐冲击性和附着力（划格法）。耐溶剂性能则选择了航空涂层材料最常见的3种溶剂油。测试结果如表2和表3所示。

表1 实验原材料

表2 两种聚氨酯涂层的力学性能比较

表3 两种聚氨酯涂层耐溶剂后的性能

从表2中可以看出，水性聚氨酯和溶剂型聚氨酯制备的涂层在柔韧性、耐冲击性、附着力和铅笔硬度性能上没有明显差异。从表3可知，经过3种溶剂的浸泡后，水性聚氨酯涂层的铅笔硬度和附着力均下降了2～3个等级，比溶剂型聚氨酯涂层稍差；这是因为水性聚氨酯涂层为了获得较好的涂层表面状态，降低体系表面张力和提高颜料和填料在体系中的良好分散，加入了一定量的水性分散剂、基材润湿剂和流平剂等助剂，该类助剂多以聚丙烯酸钠盐溶液和聚醚改性聚二甲基硅氧烷等小分子为主，在溶剂油的浸泡下，体系的交联网络更容易溶胀，在测试过程中，涂层受到外力作用，交联网络更容易破坏，造成水性涂层的力学性能下降程度比溶剂型涂层更多。

2.2 两种聚氨酯制备的红外低发射率涂层性能比较

2.2.1 两种聚氨酯清漆的发射率性能比较

首先表征了两种粘结剂体系自身的红外发射率性能，并在相同条件下分别制备了两种聚氨酯粘结剂的清漆涂层，并测试了两种清漆涂层的红外发射率性能，测试结果如表4所示。

表4 两种聚氨酯清漆的法向红外发射率测试结果（T＝50℃）

从表4可知，水性聚氨酯涂层在8～14mm红外窗口的发射率比溶剂型聚氨酯涂层要高。图1为两种涂层红外光谱图，从图1可知，在1148cm－1处和765cm－1处两种聚氨酯涂层均存在特征吸收峰，分别为C-C(=O)-O酯键的吸收峰和-NH键的面外弯曲吸收峰，但是水性聚氨酯涂层的红外特征吸收峰的相对强度明显高于溶剂型聚氨酯涂层的吸收峰强度；由于树脂的红外透明性能由其所含化学键、官能团以及分子结构所决定，因此水性聚氨酯涂层的红外透明性更差[14]，即树脂的红外吸收强度更高；根据热平衡辐射体，当温度不变时，物体与外界能量交换的过程是平衡的，物体的发射率等于吸收率，所以水性聚氨酯涂层的红外发射率更高些。

2.2.2 两种聚氨酯制备的红外低发射率涂层性能比较

采用粒径相同的水性片状铝粉和溶剂型铝粉作为功能填料，分别加入到水性聚氨酯和溶剂型聚氨酯体系中，制备出红外低发射率涂层（铝粉含量均为13%）。测试两种涂层的红外发射率性能，结果如表5所示。

图1 水性和溶剂型聚氨酯两种涂层的红外光谱

表5 两种聚氨酯制备的红外隐身涂层法向发射率测试结果（T＝50℃）

从表5可知，水性聚氨酯涂层在3～5mm和8～14mm两个波段的红外发射率比溶剂型涂层红外发射率更高。这可能是由下面两个原因造成的：一是水性涂层本身所采用的粘结剂体系的红外发射率较高，而溶剂型涂层的粘结剂体系的红外发射率较低；二是涂层的表面状态及铝粉作为功能性填料在两个涂层中的分散状态存在较大差别，从而影响了涂层的红外发射率性能。图2是两种涂层的SEM图，从中可以分析得到铝粉在涂层中的分散状态及其对涂层发射率的影响。

图2(a)为双组份水性聚氨酯涂层的SEM，图2(b)为溶剂型所聚氨酯涂层的SEM。从图2(a)中可以看出，水性聚氨酯涂层表面的片状铝粉含量少，分散不均匀，有明显的团聚现象，这主要由于水性铝粉表面经过二氧化硅包覆处理，并接枝憎水性基团，铝粉在体系里的分散性和悬浮性比较差，不能在树脂表面有效形成连续的铝粉反射层，从而涂层表面树脂含量高，造成涂层表面对红外辐射的多重散射和吸收，最终导致涂层的红外发射率高；从图2(b)可知，溶剂型涂层表面片状铝粉在基体中分散均匀，主要是由于溶剂型配方主要的溶剂为醇醚类溶剂，对铝粉有更好悬浮性和分散平铺效果，从而形成较高含量的铝粉平铺排列、致密的铝粉层，使得涂层表面能对红外辐射形成较好的镜面反射，根据基尔霍夫定律，反射率增加，涂层的吸收率就相应降低，因此，水性聚氨酯涂层的红外发射率要高于溶剂型聚氨酯涂层。

2.3 铝粉粒径对水性聚氨酯涂层红外发射率的影响

在相同实验条件下，分别采用不同粒径的水性片状铝粉与水性聚氨酯配合制备红外低发射率功能涂层（铝粉含量均为13%），以研究片状铝粉对涂层红外发射率的影响。在同样的温度条件下测试了涂层的红外发射率性能，测试结果如表6所示。

从表6中可以看出，随着铝粉粒径的增加，涂层的发射率逐渐降低。这主要是因为，本实验选择的铝粉为鱼鳞片状铝粉，随着铝粉粒径的增加，铝粉的比表面积减小，铝粉更容易在涂层表面平铺排列，在涂层表面形成致密的铝膜，使得涂层表面单位面积中树脂的含量减少，涂层的红外发射率逐渐降低。通过涂层扫描电镜分析可解释这一结论，图3为不同粒径铝粉所制备涂层的扫描电镜图，从图中可以看出，铝粉粒径越小，涂层表面的树脂含量越多，铝粉越杂乱无章的分布在树脂中，无法在涂层表面平铺形成铝膜，不能有效地降低涂层发射率；相反，随着铝粉的粒径增加，涂层表面的树脂含量减少，此时树脂起到粘接的作用，片状铝粉会富集于涂层表面，形成反射率较高的铝粉层，从而有效地降低涂层的红外发射率。

因此，通过优化配方、工艺条件，即当铝粉含量为13%时，调整片状铝粉的粒径，可以制备出红外发射率在0.42的水性聚氨酯涂层，性能和溶剂型聚氨酯涂层（8～14mm＝0.39）相当，结合水性聚氨酯涂层优异的力学性能和低污染、环保等优势，采用水性聚氨酯有代替溶剂型聚氨酯是可能的。

3 结论

1）双组份水性聚氨酯涂层的力学性能和耐溶剂性能（如铅笔硬度、附着力、柔韧性）与溶剂型双组份聚氨酯涂层的水平相当。

2）添加粒径相同的水性铝粉后双组份水性聚氨酯涂层的红外发射率分别为0.33和0.52，高于溶剂型涂层的红外发射率。

3）通过优化配方工艺，当铝粉粒径为45mm、铝粉含量为13%时，双组份水性聚氨酯涂层在3～5mm和8～14mm波段的红外发射率分别为0.34和0.42，与溶剂型聚氨酯涂层相当，采用低污染性、环境友好的水性聚氨酯替代溶剂型聚氨酯是可能的。

图2 两种聚氨酯涂层（铝粉含量为13%）的微观形貌

表6 不同粒径的铝粉对水性聚氨酯涂层红外发射率性能的影响

图3 不同粒径的铝粉制备涂层的微观形貌图

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The Research on the Infrared Emissivity of Water-borne Polyurethane Coatings

XIAO Shengrong，ZHANG Tong，WANG Zhiyong，LIU Pengrui

(,100095,)

In this paper, the low infrared emissivity coatings are prepared by adding aluminium powder as a functional filler to two components of water-borne polyurethane and solvent-borne polyurethane respectively. The mechanical properties, the solvent resistance property and the infrared emissivity of the coatings are investigated with infrared spectrums and scanning electron microscopy. The results indicate that mechanical properties and resistance to liquids of such two kinds of coatings are equal. The infrared emissivity of water-borne polyurethane coatings with aluminium powder is 0.33@3～5mm and 0.52@8～14mm, while the coatings of solvent-borne polyurethane is 0.32 and 0.39; the infrared emissivity of coatings decreases with sizes of aluminium powder increase；when the size of aluminium powder is 45mm, the infrared emissivity of the coatings is 0.341 and 0.421, which is equal to the solvent-borne polyurethane coatings. Therefore, the low pollution and environmentally friendly properties of water-borne polyurethane probably make it be alternative to the solvent-borne polyurethane for preparing the low infrared emissivity coatings.

water-borne coatings，polyurethane，infrared stealthy，the infrared emissivity

TQ630.7

A

1001-8891(2016)02-0107-05

2015-10-21；

2015-12-06.

肖圣荣（1989-），男，硕士研究生，主要从事低红外发射率涂料和雷达隐身涂料的研发生产。E-mail：yunpandianying2015@163.com。