CAB对红外低发射率涂层性能的优化研究

孟 雪，徐国跃，谭淑娟，刘 宁，尤玲丽，李 卫



CAB对红外低发射率涂层性能的优化研究

孟 雪1,2，徐国跃1,2，谭淑娟1,2，刘 宁1,2，尤玲丽1,2，李 卫1,2

（1. 南京航空航天大学材料科学与技术学院，江苏 南京 210016；2. 江苏协同创新中心，江苏 南京 210016）

为了优化原有红外低发射率涂层的性能，向红外低发射率涂层中加入醋酸丁酸纤维素（CAB），并对涂层进行红外发射率（8～14mm）、扫描电子显微镜（SEM）、力学性能及耐盐水性能测试。结果表明：加入醋酸丁酸纤维素可以促使涂层中铝粉定向排列并形成“镜面”结构，同时减少了涂层的表面缺陷，从而保证涂层发射率基本不变的情况下降低原有涂层的铝粉含量（由40%降低到30%），且优化后的涂层力学性能及耐盐水性能都优于原有涂层。

红外发射率；醋酸丁酸纤维素；铝粉；涂层

0 引言

红外低发射率涂层是指对红外辐射具有低吸收和高反射作用的涂层，它可以降低飞行器被红外线探测到的概率[1-2]。红外低发射率涂层主要由树脂基体和功能填料构成，有时也会根据不同需求添加不同的颜料及助剂添加剂。红外低发射率涂层的低发射率性能取决于片状微米级、漂浮态导电铝粉的加入以及铝粉在涂层中的含量和定向排列，而涂层的力学性能以及耐环境性能取决于树脂基体、功能填料以及助剂添加剂等[3-6]。

目前涂层的发射率已达到低发射率水平（低于0.1），但是大于40%的高填料量，往往又使涂层在实际应用中存在两大问题，一是高的填料量使红外低发射率涂层力学性能远远低于低填料量的涂层；二是高的填料量使红外低发射率涂层存在更多的表面缺陷，腐蚀介质更容易进入涂层内部腐蚀功能填料使涂层发射率升高、力学性能下降，所以红外低发射率涂层很难达到较为苛刻的工程应用水平[7-9]。要提高低发射率涂层的应用性，可以通过降低铝粉含量这一途径，但是前期实验发现减少铝粉含量又会使涂层发射率升高[8]。

醋酸丁酸纤维素（Cellulose Acetate Butyrate ，简称CAB）是一种热塑性的高分子聚合物，常用于金属漆膜中。在漆膜干燥的过程中，它体积收缩性强，阻止了金属填料在涂层中的上下移动，迫使填料迅速水平定向，因而对填料的定向排列起决定作用，同时可以减少涂层的表面缺陷[10-11]。而功能填料铝粉在涂层中的定向排列又对涂层的发射率有着决定性的作用[4]。所以本文通过加入醋酸丁酸纤维素促进铝粉的定向排列，使铝粉在涂层中形成良好的“镜面”结构，在保证涂层低发射率的基础上，减少填料的含量，在此基础上进一步探究醋酸丁酸纤维素对涂层力学性能和耐环境性的影响。

1 实验

1.1 涂层的制备

称取一定质量的氟碳树脂，加入少量乙酸丁酯，用玻璃棒搅拌。向树脂中加入不同比例（40%、35%、30%、27%、25%）的铝粉，加入适量乙酸丁酯溶剂，用玻璃棒粗略搅拌后，再用细胞粉碎机粉碎1min。按比例加入氟碳树脂固化剂，搅拌均匀后加入适量乙酸丁酯溶剂调节黏度。向料浆中分别加入不同比例（10%、20%、30%）的醋酸丁酸纤维素溶液。用喷枪将配制好的涂料喷涂到基板上，室温表干10h放入烘箱80℃固化10h。

1.2 分析与表征

用IR-2型双波段发射率测量仪对涂层进行8～14mm波段红外发射率测试；采用日立S-400场发射扫描电子显微镜对代表性涂层样品进行微观分析。

另外，根据国标对涂层样品进行力学性能测试（GB/T6739-2006；GB/T9286-1998；GB/T1731-93；GB/T1732-93）。耐盐水测试按国家标准GB/T10834-89《船舶漆耐盐水性的测定》热盐水浸泡法进行。为了加速涂层的腐蚀速度，盐水浓度采用5% 的氯化钠溶液，试验温度定为50℃，跟踪观察涂层发射率及附着力随浸泡时间的变化关系。

2 结果与讨论

2.1 不同铝粉含量下，CAB对涂层发射率的影响

现普遍使用的低发射率涂层铝粉含量为40%，发射率约为0.12，称为原有涂层。对于加入醋酸丁酸纤维素的低发射率涂层来说，促进铝粉的定向排列可以减少铝粉用量。所以选择向铝粉含量为25%、27%、30%、35%及40%的料浆中分别加入不同添加量的醋酸丁酸纤维素。研究CAB添加量对减少涂层铝粉含量及发射率的影响。结果如图1所示。

1）对于铝粉含量为27%、30%、35%的低发射率涂层，随着CAB添加量的增加，涂层发射率都呈现先降低后升高的趋势。在CAB加入量为20%时，涂层发射率均达到最低。而对于铝粉含量为25%的红外低发射率涂层，CAB的加入反而使涂层的发射率升高。

图1 不同铝粉含量下，CAB对涂层发射率的影响

2）CAB对铝粉含量为40%的原有红外低发射率涂层发射率的影响并不明显。

3）当铝粉含量为30%，CAB添加量为20%时，其发射率在0.13左右，接近40%铝粉含量的原有涂层发射率（0.12）。所以将30%铝粉，20%CAB确定为最佳添加量。（此涂层称为优化涂层，记为Al-30%，CAB-20%；原有涂层记为Al-40%，CAB-0%）。

2.2 醋酸丁酸纤维素对红外低发射率涂层结构的影响

为了进一步研究CAB对红外低发射率涂层发射率的影响，对以上涂层进行微观结构分析。

铝粉含量为25%时，图2(a)可以看出由于铝粉含量少，铝粉之间仍存在间隙，不足以形成致密结构。图2(d)中涂层表面完全被树脂层覆盖，观察不到铝粉在涂层中的分布，这是因为加入CAB后限制了铝粉向涂层表面迁移，涂层表面树脂层变厚，所以会使涂层发射率升高。

当铝粉含量较高（40%）时，图2(c)所示片状铝粉之间相互堆积拥挤，出现较多的“孔洞”等表面缺陷。由图2(f)可以看出，即使加入CAB后也无法改变铝粉堆积的现象，所以此时加入醋酸丁酸纤维素并没有显著效果。

当铝粉含量为30%时，图2(b)可以看出铝粉排列好，铝粉颗粒之间没有间隙，也没有出现堆积现象，涂层表面状况较好。加入CAB后，如图2(e)所示，铝粉的定向排列更好，所以发射率会降低。

图2 涂层扫描测试图

Fig.2 SEM test images of the coatings

2.3 醋酸丁酸纤维素对红外低发射率涂层力学性能的影响

对优化涂层（Al-30%，CAB-20%）与原有涂层（Al-40%，CAB-0%）进行力学性能对比。涂层厚度控制在60～70mm，测试结果如表1所示。优化涂层与原有涂层的附着力1级、柔韧性0.5mm，均可达到最高级别。优化涂层的耐冲击性可达到50cm×kg，而原有涂层的耐冲击性为45cm×kg。

表1 涂层力学性能对比

2.4 醋酸丁酸纤维素对红外低发射率涂层耐盐水性能的影响

盐水对红外低发射率涂层的腐蚀，主要是由于Cl－有很小的水和能，同时Cl－半径小，具有很强的穿透能力，容易进入涂层内部[12-13]。当Cl－到达铝粉颗粒表面时，铝粉表面在电解质的作用下发生电化学腐蚀导致发射率升高。涂层表面缺陷越多，氯离子越容易穿透涂层进入内部腐蚀铝粉，破坏涂层结构。

对优化涂层（Al-30%，CAB-20%）和原有涂层（Al-40%，CAB-0%）进行盐水浸泡试验，发射率和附着力随浸泡时间的变化分别如图3和表2所示，随着浸泡时间的增长，两种涂层的发射率均呈现上升趋势。原有涂层浸泡40天后，发射率已高达0.4，此时涂层附着力降低到2级。这是因为涂层表面存在着大量的缺陷，Cl－容易穿透涂层腐蚀铝粉，涂层中的功能填料被盐水腐蚀粉化。而优化涂层在浸泡40天后发射率仍小于0.3，附着力仍为1级。这是因为CAB的加入减少了涂层的表面缺陷，Cl－难以进入涂层内部腐蚀铝粉填料。

图3 浸泡时间对涂层发射率的影响

表2 浸泡时间对涂层附着力的影响

3 结论

1）通过加入醋酸丁酸纤维素可以降低红外低发射率涂层的铝粉填料量，当铝粉含量为30%，醋酸丁酸纤维素的添加量为20%时，其发射率可以低至0.13。

2）加入醋酸丁酸纤维素可以提高铝粉的定向排列，减少涂层的表面缺陷。

3）筛选出的最佳铝粉和CAB含量的低发射率涂层（Al-30%，CAB-20%）和原有涂层（Al-40%，CAB-0%）附着力、柔韧性均达到最高级别，优化涂层耐冲击性可达50cm×kg，而原有涂层耐冲击性仅为45cm×kg。

4）50℃、5%盐水浸泡实验，原有涂层浸泡40天后，发射率已高达0.4，同时涂层附着力降低到2级。优化涂层在浸泡40天后发射率仍小于0.3，附着力保持为1级。这是由于原有涂层铝粉含量较高，存在大量表面缺陷，Cl－容易穿透涂层腐蚀铝粉。而优化涂层通过加入CAB降低了铝粉含量，从而减少涂层表面缺陷，Cl－难以进入涂层内部腐蚀铝粉填料。所以优化涂层优于原有涂层。

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Study on the Optimization of CAB on the Performanceof Low-Infrared-Emissivity Coatings

MENG Xue1,2，XU Guoyue1,2，TAN Shujuan1,2，LIU Ning1,2，YOU Lingli1,2，LI Wei1,2

(1.,,210016,2.,210016,)

To optimize the performance of the original low infrared emissivity coatings, Cellulose Acetate Butyrate (CAB) is added into the coatings. Infrared emissivity (8-14mm) of the coating is measured through IR-2, the effect of CAB on the surface of coatings is observed by scanning electron microscope (SEM), and the mechanical properties and salt water-resistant performance of the coatings are also tested. The results indicated that: CAB added into the coatings can make the flake aluminum powder oriented array and form the ‘mirror plate’ structure, and at the same time, it can also reduce the surface defects of the coatings. Furthermore, it will decrease the aluminum powder content (from 40% down to 30%) of the coatings on the premise that infrared emissivity changes little. In addition, the mechanical properties and salt water-resistant performance of the optimized coatings are better than those of the primary coatings.

infrared emissivity，cellulose acetate butyrate，Aluminum powder，coating

TQ630.4＋9

A

1001-8891(2017)03-0250-04

2016-08-17；

2016-12-26.

孟雪（1990-），女，山东济宁市人，硕士研究生，主要从事功能材料的研究。

江苏高校优势学科建设工程资助项目；国家自然科学基金项目（51403102）；江苏省自然科学基金项目（BK20140811）。