高耐磨甲板防滑涂层的制备及其性能研究

邓琦，王同良，白杨*，3，姜秀杰

1 海军装备部，北京100071

2 海洋化工研究院有限公司海洋涂料国家重点实验室，山东青岛266071

3 中国石油大学（华东）材料科学与工程学院，山东青岛266580

0 引 言

随着我国海洋资源开发利用的日渐成熟，船舶、海洋平台等海洋工程装备应用得越来越多，其甲板表面的防滑涂层逐渐成为人们关注的焦点［1］。甲板防滑涂层主要通过增大摩擦力来提高其表面的防滑性能，有效地降低人员、车辆以及飞机等其他物体的滑动性［2-3］。传统甲板防滑涂层的硬度和摩擦系数在使用初期均能满足需求，但随着暴露在恶劣海洋环境中的时间持续增加，涂层的防滑及耐磨性能急剧下降，且后期涂层的维修和更换工作繁琐复杂，维修成本高昂［4-5］。因此，开展新型甲板防滑涂层的研究迫在眉睫。

目前，常用的甲板防滑涂层主要是树脂基防滑涂层，其优点是施工工艺简单、操作方便、涂层的结合强度及防滑性能能够满足大多数船舶甲板的需求［6］。树脂基防滑涂层主要由树脂、颜填料、溶剂、防滑粒料等组成［7］，按照涂料的组成分类为单组分、双组分和多组分3 种涂层体系［8］。大多数涂层为双组分环氧树脂体系，其固化剂是能与环氧树脂发生化学反应的胺类，这种热固型体系经过化学反应后硬度高且耐磨性能好［9-11］。例如MS-400G 型和MS-400L 型高固含量双组分环氧树脂体系涂层，因其具有较好的耐磨性和抗冲击性，被广泛应用于美国海军大型舰船甲板［12-13］。Intershield 5150LWT 和Intershield 6GV 甲 板 防 滑涂层具有高耐磨性、高耐久性和轻量化等特点，可用于所有耐磨甲板区域［14-15］。

为解决传统甲板防滑涂层在实际工况（干、湿、油态）下的耐磨损问题，本文将提出一种三明治结构的高耐磨防滑涂层体系，其主要由改性环氧底漆、防滑层以及罩面面漆组成。通过研究涂层在不同工况下的防滑及耐磨行为，探讨涂层的磨损机制。

1 试验分析

1.1 试验材料

新型高耐磨甲板防滑涂层所用原材料的基本信息如表1 所示。

1.2 涂层制备

图1 为制备得到的甲板防滑涂层结构示意图。首先采用刷涂、辊涂或喷涂工艺在碳钢基体上施工聚氨酯改性环氧防锈底漆，然后在防锈底漆上涂覆防滑层，最后在防滑层上涂装一道聚氨酯罩面漆，以提高防滑层的耐候、耐老化性能。涂层的制备工艺主要包括5 个步骤。

表1 甲板防滑涂层所用工业级原材料Table 1 The industrial raw materials of non-skid deck coating

图1 高耐磨强度甲板防滑涂层结构示意图Fig.1 Schematic diagram of highly wear-resistant non-skid deck coating

1）基体材料表面处理。选择厚度为3 mm 的Q235 碳钢作为基体，对其表面进行喷砂/喷丸除锈处理，要求达到GB 8923-88 标准［16］中Sa 2.5 级，并进行除尘清洁。

2）聚氨酯改性环氧底漆制备。含羟基的多元醇化合物（聚醚多元醇、聚酯多元醇、羟基丙烯酸树脂等）、2，4-甲苯异氰酸酯单体、环氧树脂，在一定顺序和条件下进行化学反应，合成改性环氧树脂，并采用该树脂制备具有合适刚性和柔性的涂料，提高涂层的防腐和耐磨性能。

3）将改性环氧底漆双组分按规定比例混合均匀后，采用刷涂、辊涂或喷涂工艺在清洁后的基体表面进行底漆涂装，干膜厚度达到120±10 μm。

4）充分混合颜填料、固化剂和防滑颗粒，采用刮涂、辊涂相结合的方式在已实干的防锈底漆表面施工，同时采用划块法控制涂层的厚度（750～3 000 μm），然后使用专用辊筒进行拉毛处理。

5）采用辊涂、刷涂等方式将按规定比例配制的双组分聚氨酯罩面面漆涂装在已实干的防滑层上。

1.3 涂层性能测试方法

1.3.1 涂层表面纹理深度测试

涂层表面纹理深度反映了涂层表面的粗糙程度，是指涂层表面上较小间距和峰谷组成的微观几何形状特性［17］。按照GJB 2264-1995 标准［18］进行涂层表面纹理深度的测定。为了减少系统误差，所有测试均采用3 个试样（#1，#2，#3）平行进行。用摊平器将已知体积的砂在涂层表面摊平成一定范围的圆，尽可能使其顶面齐平；然后再用钢尺测量出圆的2 个垂直方向的直径，取平均值，精确到5 mm；最后按照式（1）计算涂层表面平均纹理深度D：

式中：V 为砂的体积；S 为圆形砂的覆盖面积。

1.3.2 涂层附着力测试

参照GB/T 5210-2006 标准［19］测试涂层结合强度。试验设备采用PosiTest AT-M 数显拉拔式附着力测试仪，圆柱形拉拔试样尺寸为20 mm×30 mm，采用强力环氧胶，对其A，B 组分进行等量混合，将混合后的胶黏剂涂抹在试柱和涂层表面，重合压紧15 min 后再常温固化2 h，结合强度取3个试样的算术平均值。测试原理如图2 所示。

图2 抗拉伸结合强度测定Fig.2 Determination of tensile adhesive strength

1.3.3 涂层抗冲击性能测试

参考美军标MIL-PRF-24667C［20］中有机防滑涂层抗冲击力的测试方法。试样尺寸为150 mm×150 mm×5 mm，冲击球为15.875 mm 的半球形，质量1.8 kg，冲击高度1.2 m。试样固定后，按照图3所示的冲击顺序进行抗冲击试验，相邻冲击点的中心间距均为20±1.5 mm。由图3 可见，连续冲击点呈5×5 矩阵，冲击面积约为58 cm2。

1.3.4 涂层摩擦系数测试

图3 抗冲击试验的冲击顺序示意图Fig.3 Schematic diagram of the impact sequence in impact resistance test

涂层表面的防滑性不仅能反映涂层的使用寿命，还是评价涂层性能的重要指标之一。本文试验参照美军标MIL-PRF-24667C 中有机防滑涂层摩擦系数的测试方法，采用MXD-02 型摩擦系数测定仪测量。测试试样尺寸为150 mm×300 mm×3 mm，硫化氯丁橡胶垫（邵氏硬度57±2 HA）包覆在一块145 mm×100 mm×22 mm 的钢板上，氯丁橡胶垫加钢板的总质量为2.7±0.2 kg。试验参数：加载力2.7±0.2 kg，移动速度300 mm/min，移动距离25 mm。干态条件测试完成后，用天然海水润湿试样，按照上述参数进行试验；湿态条件下测试完成后，用自来水冲去试样上的天然海水，并在120 ℃下干燥1 h，冷却至标准条件，再用3 号航空煤油润湿，并基于上述参数进行测试。

1.3.5 涂层耐磨损性能测试

参照美军标MIL-PRF-24667C［20］中有机防滑涂层耐磨损测试方法，利用如图4 所示自制的防滑涂料磨损测试仪进行滑动磨损试验。防滑涂料磨损测试采用3 块尺寸为300 mm×150 mm×6 mm的钢板，制备涂层之前测量每块钢板的重量，精确到0.5 g。磨件采用直径为3 mm 的钢条，其长度比钢板宽度大。试验参数：加载力13.6±0.1 kg，往复式运动距离225 mm。每块试样在防滑涂层磨损测试仪上循环进行50 次磨损试验，称重后再循环进行450 次磨损试验。涂料磨损时，磨件钢条将在初始的50 次循环，及之后每150 次循环进行更换。完成耐磨试验后对试样称重。磨损失重率按式（2）进行计算。

式中：M 为磨损失重率；M1为涂刷涂料之前试样的重量；M2为循环50 次后试样的重量；M3为测试结束时试样的重量。

2 涂层表面纹理深度分析

图4 滑动磨损测试装置Fig.4 Sliding wear test apparatus

图5 所示为甲板防滑涂层的平均纹理深度随磨损次数的变化曲线。由图可见，随着磨损次数的增加，涂层的平均纹理深度整体呈下降趋势。3 块试样涂层磨损前表面平均纹理深度分别为1.14，1.10，1.08 mm，平均纹理深度较高；当磨损次数小于50 次时，涂层的平均纹理深度随着磨损次数的增加明显下降，之后涂层的平均纹理深度下降趋于平缓；当磨损次数达到500 次时，涂层表面平均纹理深度下降至0.7 mm 左右。

图5 涂层的平均纹理深度随磨损次数的变化曲线Fig.5 Average texture depth of non-skid deck coatings versus the number of wear cycle

3 涂层的力学性能分析

3.1 附着力

涂层附着力是指涂层与基体表面之间相互粘结的能力，反映了涂层与基体表面的粘附力和涂层本身的内聚力。涂层的附着力测试结果如表2所示，测得3 块试样的附着力分别为12.8，13.0 和12.6 MPa，平均附着力为12.8 MPa。如图6 所示，甲板防滑涂层断裂主要发生在防滑层的内部，说明防滑层的内聚力小于防滑层与底漆、底漆与基体之间的黏着力以及底漆之间的内聚力。相关研究发现［21］，涂层内聚力与涂层厚度有一定的相关性，当涂层超过一定厚度时，涂层内聚力随涂层厚度的增加呈线性递减趋势。

表2 甲板防滑涂层的附着力和抗冲击性能测试结果Table 2 Test results of adhesion and impact resistance for non-skid deck coatings

图6 拉开断裂试验后涂层试样的宏观形貌图Fig.6 Macroscopic topography of coating samples after tensile fracture test

3.2 抗冲击性能

表2 给出了3 种涂层试样的抗冲击试验结果。从表中可以看出，3 块试样的抗冲击性能较好，涂层的完好率均为100%。这主要是由于大分子量聚醚多元醇合成的聚氨酯软段链长且柔性好［22］。图7 所示为冲击试验后3 块试样的宏观照片。由图可见，冲击后的涂层表面均未发现裂纹和块状剥落现象，且各个冲击点之间也无连通断裂。

图7 冲击试验后涂层试样的宏观形貌图Fig.7 Macroscopic topography of coating samples after impact test

3.3 防滑性能

图8 为在不同工况和磨损次数下3 块试样的摩擦系数测试结果。由图可见，不同工况下涂层的摩擦系数（CoF）均随着磨损次数的增加呈缓慢降低的趋势。磨损前涂层试样的干态摩擦系数分别为1.20，1.23 和1.25；海水润湿条件下，未磨损涂层表面的摩擦系数比干态条件下的摩擦系数略有下降，说明该涂层体系在海水润湿条件下仍能保持较好的防滑性能；在3 号航空煤油润湿的条件下，试样涂层的摩擦系数较干态和湿态摩擦系数下降明显，因为航空煤油在摩擦过程中起到了润滑作用。相关文献表明［23］，在油润滑的条件下，涂层和摩擦副之间易形成一种吸附膜，吸附膜的减摩和润滑作用导致涂层的防滑性能明显降低。

图8 不同工况和磨损次数下涂层的摩擦系数测试结果Fig.8 Test results of CoF for non-skid deck coatings under different conditions and number of wear cycle

3.4 耐磨损性能

图9 为3 块试样的磨损失重率随磨损次数的变化曲线。由图可见，磨损次数达到500 次后，3块试样的磨损失重率分别为5.875%，5.667%和4.301%，涂层的耐磨损性能超过了传统甲板防滑涂层［24］。而美军标MIL-PRF-24667C 要求辊涂甲板防滑涂料的磨损失重率小于40%［20］，由此看出该涂料的耐磨损性能高出美军标要求，性能优异。从图9 可以看出，涂层的磨损过程可划分为初期磨损和稳态磨损2 个阶段［24］。第1 阶段为磨损初始阶段（循环磨损0～200 次），如图10（a）所示，涂层的磨损失重率随着磨损次数的增加呈现迅速上升的趋势；在该阶段，涂层表面局部凸起部分和磨件之间发生了接触磨损，导致磨屑脱落，脱落下来的磨屑在切向压力和法向压力共同作用下划伤涂层表面，导致涂层表面出现少量划痕和较浅的犁沟。第2 阶段为磨损稳定阶段（循环磨损200～500 次），如图10（b）所示，随着磨损次数的增加，涂层表面与磨件之间由点面接触磨损逐渐变为面面接触磨损，涂层表面的磨损形貌变得较为光滑，磨损过程变得平稳，磨损失重率缓慢增加。由此可知，甲板防滑涂层与对磨件的滑动磨损机制主要是磨损初期的磨粒磨损和磨损稳定阶段的粘着磨损。

图9 涂层磨损失重率随磨损次数的变化曲线Fig.9 Variation of the wear loss rate of the coatings with the wear cycle

图10 甲板防滑涂层磨痕表面三维形貌图Fig.10 Three-dimensional topography of worn surface for the non-skid deck coatings

4 结 论

本文提出一种研制的三明治结构新型高耐磨甲板防滑涂层，该涂层主要由聚氨酯改性环氧防锈底漆、防滑层和聚氨酯罩面面漆组成。对该防滑涂层的表观、力学性能、防滑性能及其耐磨损性能进行了测试分析，得到如下结论：

1）涂层表面呈脊、谷相间的粗糙纹理状态，涂层磨损前表面平均纹理深度在1.10 mm 左右，随着磨损次数的增加，涂层表面平均纹理深度整体呈下降的趋势；磨损次数达500 次后，涂层表面平均纹理深度下降至0.7 mm 左右。

2）涂层的平均附着力为12.8 MPa，且涂层试样断裂主要发生在防滑层内部，说明防滑层的内聚力小于防滑层与底漆、底漆与基体之间的黏着力以及底漆之间的内聚力；涂层样品的抗冲击性能均较好，冲击25 次后的涂层试样表面均未发现裂纹和块状剥落的现象，涂层的完好率为100%。

3）涂层在不同工况（干态、湿态、油态）下的摩擦系数随着磨损次数的增加呈缓慢降低的趋势，磨损前涂层试样的干态摩擦系数约1.20；海水润湿条件下，涂层表面的摩擦系数比干态摩擦系数略有下降，但仍然表现出较好的防滑性能；在3号航空煤油润湿条件下，涂层的摩擦系数较干态和湿态的摩擦系数明显下降，因为航空煤油在摩擦过程中起到了边界润滑作用。

4）涂层与磨件的磨损过程可划分为初期磨损和稳态磨损2 个阶段；涂层的磨损失重率随着磨损次数的增加呈现先迅速增加后缓慢上升，磨损500 次后，涂层的磨损失重率在5%左右，涂层表面出现少量划痕和较浅的犁沟，表现出较好的耐滑动磨损性能；甲板防滑涂层与磨件的滑动磨损机制主要是磨损初期的磨粒磨损和磨损稳定阶段的粘着磨损。

本研究成果不仅能够保证海洋结构物的服役安全性，还可为新型甲板防滑涂层的开发与应用提供理论依据，对于加速我国海军现代化建设和提高部队战斗力具有十分重要的军事意义。