非易燃易爆清洗剂在运载火箭涂装中的应用

肖世明，李吉丹，刘旭升，朱贺，吴宪，王海辰

（首都航天机械公司，北京　100076）

目前，我国运载火箭壳体表面主要喷涂H06-2环氧酯底漆和H04-2环氧硝基磁漆。在喷漆前需要用120#汽油清洗壳体表面的油污。120#汽油的主要成分为脂肪烃类化合物，因对各种油类具有良好的亲和性，被广泛应用在涂装前处理中。虽然汽油是火箭涂装前处理中最常用的清洗溶剂，但其闪点较低，为易燃易爆品，危险性极高，在运输、储存和使用过程中都存在极高的安全隐患。汽油使用场所严禁明火，储存场所需阴凉通风，并采取防静电措施。随着我国航天事业快速发展，汽油的使用量逐步上升，生产场所易燃易爆的风险也急剧上升。虽然已经有多种非易燃易爆清洗剂应用于不同类型的产品清洗[1-4]，但尚未发现应用在运载火箭涂装中。本文优选了4种典型的清洗剂以替代汽油，并考察了后续涂层的性能。

1　清洗剂的优选

1.1　清洗剂类型的选择

经过调研，目前可选用的安全清洗剂分为水基清洗剂和溶剂型清洗剂两大类。

水基清洗剂的主要工艺流程为：预热→浸泡或喷淋→水洗→防锈处理。

溶剂型清洗剂的主要工艺流程为：擦拭或浸泡→干燥。

结合两种清洗剂的工艺流程和表1，认为溶剂型清洗剂更适用于火箭壳体表面涂装，主要原因如下：

(1) 水基清洗剂要求浸泡或喷淋火箭壳体，而水易对火箭产品造成腐蚀。

(2) 溶剂型清洗剂一般不需要进行废水处理，这与目前广泛使用的汽油相似，但水基清洗剂需要进行废液处理。

(3) 水基清洗剂不适合擦拭，且需要一定的操作温度，而箭体部段产品有贮箱、箱间段等焊接、铆接部段，如果采用一定温度的浸泡或喷淋清洗会在加工间隙内形成残留，并给橡胶件等非金属零件留下质量隐患。

表1　水基清洗剂及溶剂型清洗剂的对比Table 1　Comparison between water- and solvent-based cleaning agents

1.2　几种清洗剂的性能

经过市场调研，选取了SK-410B、FR111、X100和X417这4种清洗剂，它们均利用“相似相溶”原理去除零件表面油污，主要成分见表2。

表2　4种溶剂型清洗剂的主要成分Table 2　Main constituents of four types of solvent-based cleaning agents

1.2.1对铝基体的腐蚀性

火箭箭体普遍采用铝合金加工而成。为验证清洗剂是否对火箭基体产生腐蚀，选取典型的2A14铝合金，通过浸泡试验考察各清洗剂与基体的适应性。步骤如下：

(1) 称取4块试片的质量。

(2) 将不同类型的清洗剂置于烧杯中，然后将50 mm × 100 mm的试片完全浸入清洗剂中，静置24 h。

(3) 取出试片，自然晾干后称其质量，并检查外观。

从表3可知，浸泡24 h后，4片铝合金试片的外观均没有发生变化。考虑到误差影响，可以认为浸泡前后试片的质量均没有发生变化，说明所有清洗剂对铝合金试片都没有腐蚀性。

表3　火箭用2A14铝合金在4种清洗剂中浸泡24 h后的变化Table 3　Variation of 2A14 aluminum alloy used for rocket after being immersed in four different cleaning agents for 24 h

1.2.2燃烧性

使用20 mm × 100 mm的棉布条沾取不同类型的清洗剂，然后在10 s内用火源点燃，结果所有的清洗剂均不燃烧，可见它们都属于非易燃易爆清洗剂。

1.2.3挥发性

在烧杯内放置100 mL不同清洗剂，10 °C条件下在通风橱内敞口放置或者将烧杯放入35 °C水浴锅中恒温1 h，然后测量剩余清洗剂的体积，由此算出不同温度下每小时溶剂挥发量，结果见表4。可见SK-410B的挥发速率几乎与汽油相当，FR111的挥发比汽油慢，而X417与X100的挥发速率远低于汽油。

1.2.4挂水试验

为模拟火箭涂装前擦拭油污的实际情况，选取了火箭壳体加工过程中常用的几种典型机械用油作为人造油污，其组成(质量分数)为：20% F-35防锈油，20%润滑油，20%凡士林，20%机油，20%耐磨油。将5块200 mm × 200 mm铝合金试板划成100份，每块试板上分别涂抹5 g的人造油污，静置30 min。分别用干净的棉布，蘸取不同的清洗剂和汽油，然后将棉布拧至半干，擦拭试板表面3遍。每一遍擦拭完毕，自然干燥后才进行下一遍擦拭。擦拭3遍后，将试片放入小水槽中，30 s后缓缓取出，用SK-410B、X417、X100、FR111和汽油擦拭过的试板表面存在液滴的格子数分别为2、8、10、6和2个。存在液滴的格子数越少，说明试板上残留的油污越少，清洗剂的清洗效果就越好。

表4　不同清洗剂在不同温度下的挥发速率Table 4　Volatilization rates of different cleaning agents at different temperatures

综上所述，SK-410B的挥发速率以及清洗效果均与汽油相当。另外3种清洗剂无论是挥发速率还是清洗效果均不如汽油。因此选择SK-410B清洗剂用于火箭涂装前处理除油工序。

2　清洗工序对涂装质量的影响

2.1　漆膜制备流程

2A14铝合金试片上漆膜的制备流程：打磨→涂人造油污→使用清洗剂擦净→喷涂油漆→干燥。

分别选取一个焊接箱体和铆接壳体进行清洗试验。两件产品在喷漆前均使用干净的棉布蘸SK-410B清洗剂擦拭3遍。将上述试片置于火箭产品不喷漆表面(如电缆罩安装区域)，这样可以保证产品表面涂装状态与试片表面涂装状态一致。

2.2　喷漆方案

(1) 使用专用稀释剂将H06-2环氧酯底漆稀释至喷涂黏度，并均匀地在产品及试片表面喷涂一遍(空气压力0.3 ～ 0.4 MPa，后同)，底漆厚度约为30 μm。

(2) 在室温下干燥24 h以上。

(3) 使用专用稀释剂将H04-2白色环氧硝基磁漆稀释至喷涂黏度，并均匀地喷涂在产品及试片表面，共喷涂两遍，面漆涂层厚度为50 ～ 80 μm，要求无空白或流挂现象。

(4) 在室温下干燥24 h以上。

2.3　漆膜的性能

2.3.1冲击强度

按GB/T 1732-1993《漆膜耐冲击测定法》测试漆膜的冲击强度，要求达到50 kg·cm。结果无论是用SK-410B清洗剂还是用汽油来清洗试片，漆膜的冲击强度都满足要求。

2.3.2附着力

按GB/T 9286-1998《色漆和清漆 漆膜的划格试验》用划格器进行划格，每个方格均为1 mm × 1 mm，然后根据格子脱落的面积进行评级。结果漆膜的附着力可达到0级。图1为划格后漆膜的照片。

2.3.3耐湿热性

湿热试验条件为：30 ～ 60 °C，相对湿度85% ～ 95%，1个周期24 h，共10个周期。要求漆膜不起泡、无剥落。由图2可见，漆膜与铝合金试片结合良好，漆膜外观在试验前后基本没有出现变化。

图1　经清洗的2A14铝合金表面所制漆膜的划格试验照片Figure 1　Photo showing the coating prepared on cleaned 2A14 aluminum alloy surface after cross cut test

图2　湿热试验前(左)后(右)漆膜的照片Figure 2　Photo showing the coating before (left) and after (right) damp heat test

2.4　火箭产品表面漆膜的状况

漆膜干燥后与箭体的附着力良好，如图3所示，焊接箱体与铆接壳体的表面漆膜均没有出现起皮、剥落等现象。2件产品储存一年后进行发射，直至发射前，表面漆膜未出现起皮、剥落等现象。

图3　用SK-410B清洗剂除油并涂装后的火箭部件Figure 3　Some parts of a rocket degreased by SK-410B and painted

3　结语

用非易燃易爆清洗剂替代汽油对运载火箭的外表面进行除油，经清洗后的金属表面完全满足涂装要求。这不仅减少了运载火箭涂装前清洗过程中汽油的使用量，降低了易燃易爆的风险，而且有望大规模推广至其他航天产品的除油工序。

参考文献：

[1] 张军民, 赵勇.舰载发动机用清洗剂及其清洗效率影响因素试验[J].海军航空工程学院学报, 2015, 30 (3)： 253-257.

[2] 兰海平, 田青凤.火箭发动机清洗用氟里昂替代物的研究[J].火箭推进, 2004, 30 (4)： 55-62.

[3] 吕砚辉, 高玲.一种环保安全型碳氢清洗剂的制备与性能研究[J].清洗世界, 2016, 32 (2)： 6-10.

[4] 石志想, 何卫平.飞机外表面用清洗剂使用性能分析[J].装备环境工程, 2016, 13 (1)： 51-56.