高弹性水性聚氨酯橡胶涂料的施工工艺研究
赵乐1,刘志1,郭年华1,于海2(1.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；2.中航工业沈阳飞机工业（集团）有限公司，沈阳110034)
0 引言
橡胶是弹性模量在一定范围内的高分子弹性体材料，随着橡胶合成和加工技术的不断发展，橡胶制品越来越多地应用到航空、航天等高科技领域。然而橡胶材料在加工、使用和贮存过程中易老化变质，其性能随时间的延长而下降，以致丧失使用价值。橡胶制品的性能在很大程度上取决于其表面层的性能，故对橡胶制品的表面进行涂装，能有效地延长橡胶制品的使用寿命，但相当一段时期内，人们对橡胶用的涂料及其涂装技术并未引起足够的重视。海洋化工研究院有限公司研制出一种高弹性水性聚氨酯橡胶涂料，它以水性丙烯酸改性聚氨酯（PUA）乳液为基料，加入功能性颜填料和助剂，用于某型号飞机橡胶导管等非金属材料表面标识，具有干燥时间短、附着力强、弹性高、耐介质、耐弯曲、阻燃、耐高低温好、对基材无不良影响等优点，是一种综合性能优异的绿色环保涂料。本文将对其施工工艺进行深入探讨。
1 橡胶表面涂装的特点
橡胶制品表面的涂装目的与其他底材涂装一样，是延长其使用寿命，赋予其相应的保护、装饰及功能性。但作为涂装的底材，橡胶表面涂装又有其特殊性。
（1） 橡胶属高分子化合物，其表面张力＜100mN/cm，表面能与金属、木材等相比要低得多，涂料在其上很难润湿和铺展，固化成膜后附着较差。
（2）橡胶制品表面一般都加工的光滑，涂层在橡胶表面难以形成机械铆合作用来提高附着力。同时，橡胶表面极性较小，涂料树脂难以在橡胶表面发生化学反应形成化学键合。
（3）橡胶制品中，低相对分子质量的成分容易迁移到橡胶表面，由于其本身的抗张强度很低，因此在橡胶表面形成弱界面层。此外，橡胶配方中含有大量加工助剂(如石蜡)等低相对分子质量有机物，在橡胶使用过程中会逐步迁移到橡胶表面，起抗粘合的作用，影响涂层的附着。
（4）大多数橡胶不耐有机溶剂，易发生溶解或溶胀，因此，在清洗溶剂的选择上必须考虑溶剂对橡胶基材的侵蚀性。
（5）大多数橡胶制品的热变形温度较低，不宜采用加热固化的方式完成涂料的交联固化，这对涂料的涂装工艺提出了更高的要求。
橡胶制品种类繁多、形状各异，批量大小差别很大。他们的涂装方法、表面处理工艺千差万别，其涂装工艺近年来发展很快。在橡胶制品的涂装工艺中表面处理占有特殊的地位，橡胶的表面能相对较低，又容易带静电吸附灰尘，还可能带有成型加工助剂以及迁移至表面的各类助剂，如脱模剂等，还要考虑到为降低表面结晶性的处理。因此，橡胶制品涂装产生缺陷的可能性更大、更复杂。
2 实验部分
2.1 原料
实验所用的主要材料如表1 所示。
2.2 橡胶的表面处理
欲使涂层与橡胶管表面牢固地结合，首先要做好橡胶管表面的清洁：先用细砂纸将橡胶管表面轻微打毛，然后用脂肪烃类溶剂清除表面油污、灰尘、手印等污物，切忌用酮酯类对橡胶制品有溶蚀性的溶剂擦洗。
2.3 涂料的调配
在10～35 ℃、相对湿度RH＜55%的环境下，对高弹性水性聚氨酯橡胶涂料A组分进行充分搅拌，将A组分与B组分按质量比10∶1 比例混合均匀，再用蒸馏水稀释至19 s 左右，用120 目滤网过滤，熟化，即可进行涂装。
2.4 涂料的涂装
可以采用喷涂、刷涂或浸涂的方式，以常规的空气喷涂为主。采用口径在1. 0 ～1. 4 mm传统喷枪，雾化压力90～310 kPa，涂层干膜厚度每道控制在20～30μm。
2.5 涂装时的注意事项
高弹性水性聚氨酯橡胶涂料的固化过程也像溶剂型聚氨酯涂料一样，是反应性涂料，随着水分的挥发，基体树脂中的羟基、羧基等基团与亲水性固化剂中的异氰酸酯基团反应，后交联固化成膜。涂料的施工直接影响着涂层质量，除了要注意一般涂料施工的共性问题外，还要注意：
（1）A、B两组分配比要准确，混合后先搅拌均匀，再添加蒸馏水或软水调节喷涂黏度。喷涂前要熟化，配料量要适当，配好的涂料要在适用期内用完，否则涂料容易胶化。
（2）多道涂料的施工，间隔不应过长，一般间隔2～12 h为宜，以免前一道涂料干的太透而影响涂层之间的附着力，当然也不宜太短，以免出现“咬底”或出现针孔，鼓泡等。
（3）涂料的施工对环境条件要求比较严格，温度一般在15～30 ℃，相对湿度＜55%，橡胶管表面必须干净无油污。
3 施工工艺的研究结果与讨论
3.1 不同清洗溶剂对橡胶管基材的影响
将橡胶导管分别浸泡在不同的清洗剂中24 h，计算不同清洗剂对橡胶管的质量及体积变化率的影响，结果如表2 所示。由表2 可以看出，采用脂肪烃类清洗剂代替常规的丙酮、丁酮对橡胶导管进行清洗，能降低清洗过程中清洗剂对胶管的侵蚀，从而提高涂装质量。
3.2 施工温度对适用期的影响
施工温度对适用期的影响如图1 所示。
适用期是指双（多）组分涂料的基料和固化剂混合均匀后，适合于施工的长时间。超过这一时间后因发生化学反应，涂料黏度变稠并开始凝胶，此时即使加入稀释剂也无法使用。
由图1 可以看出，随着施工温度的升高，涂料的适用期逐渐变短。这是因为随温度升高，涂料中羟基和异氰酸根之间的反应速度加快，即适用期相应地变短。试验确定的适宜的环境温度为15～30 ℃。
3.3 固化条件的选择
不同固化条件对涂层性能及基材的影响见表3所示。
由表3 可以看出，随着固化温度的升高，涂膜的固化时间逐渐变短。但当固化温度超过80 ℃时，橡胶导管底材开始发生变化，120 ℃时橡胶已严重老化。因此，固化温度可以选择室温下固化7 d 或60 ℃下干燥3 h以上，这既满足了涂料的性能又不降低橡胶导管的使用要求。
3.4 相对湿度对涂膜固化性能的影响
高弹性水性聚氨酯橡胶涂料的成膜固化过程和其他水性涂料一样受到周围环境的影响，在高湿度条件下，水分挥发速度缓慢，会影响羟基和异氰酸酯的反应，涂膜固化速度降低。不同湿度对涂膜固化性能的影响如表4 所示。
由表4 可以看出，相对湿度的变化对涂膜性能影响较大。相对湿度较大时，涂膜中的水分挥发缓慢，增加了水分与异氰酸酯的反应，使水性树脂乳液中的羟基与异氰酸酯不能完全发生反应，从而导致涂膜的干燥速度降低，涂膜易出现各种弊病，相对湿度在55%以下时可以获得致密平整的涂膜。
4 结语
高弹性水性聚氨酯橡胶涂料对施工条件的要求较高，为得到性能优异的涂膜，施工时应严格控制各种环境因素：施工温度一般在15～30 ℃，相对湿度＜55%，橡胶基材用脂肪烃类溶剂去油、去污，涂层干膜厚度控制在每道20～30 μm，固化温度可以选择室温下固化7 d或60 ℃下干燥3 h以上。
