Введение

В связи с развитием авиационной техники особые требования предъявляются к качеству и внешнему виду лакокрасочных покрытий, применяемых для защиты и декоративной окраски элементов кабины и панелей приборов авиационной техники [1–6].

К покрытиям, применяемым для окраски кабины пилотов, а также бортового оборудования, размещенного в кабине, предъявляются следующие требования:

– покрытие должно быть матовым, так как на глянцевых поверхностях покрытия могут возникать блики, оказывающие негативное воздействие на зрение членов экипажа;

– цвет покрытия должен обеспечивать высокий уровень зрительной и общей работоспособности пилота как при естественном, так и при искусственном освещении;

– покрытия должны быть устойчивыми к повреждениям и сохранять оптические характеристики в процессе эксплуатации при воздействии истирающих факторов.

На современном этапе особые требования предъявляются не только к качеству и внешнему виду лакокрасочных покрытий, но также пожарной безопасности применяемых для защиты элементов кабины и панелей приборов кабины пилотов, т. е. покрытие должно соответствовать требованиям АП-25 по горючести, дымообразованию и тепловыделению.

Следует отметить, что в соответствии с ОСТ 1 02545–85 «Кабины экипажа самолетов и вертолетов», в котором изложены требования к цвету внутренних поверхностей, наиболее полно этим требованиям удовлетворяют цвета средней части спектра малой насыщенности. К ним относятся холодные цвета: зеленый, серо-голубой, темно-серый и др. Для исключения возникновения бликов от источников внешнего освещения все эмали должны быть матовыми [7–10].

Анализ научно-технической литературы показал, что в настоящее время существуют разнообразные способы получения матовых декоративных покрытий, которые основаны на включении в их структуру микронеоднородностей для увеличения диффузного отражения.

Широко распространен способ получения матовых покрытий путем увеличения объемной концентрации наполнителей, что приводит к снижению блеска покрытия, но ухудшает физико-механические свойства и стойкость к истиранию.

Для получения матовых покрытий также применяют различные технологические приемы ‒ например, способ микрорасслоения полимерного раствора с образованием ячеистой конденсационной структуры.

Один из способов получения матовых покрытий ‒ применение смесей несовместимых растворов полимеров. Для достижения необходимых оптических и декоративных свойств следует выбрать полимерное пленкообразующее, позволяющее получать матовое покрытие при относительно невысоком содержании наполнения, при котором сохраняется достаточно высокий уровень адгезионной прочности, эластичности, а также твердости лакокрасочной пленки. Для разработки таких покрытий используются смеси несовместимых растворов полимеров, при этом формируется двухфазная полимерная структура, в которой каждая фаза характеризуется своим коэффициентом преломления. В этом случае падающий на поверхность свет подвергается диффузному рассеянию за счет преград в виде микронеоднородностей полимерной структуры [11–26].

Предлагаемая работа посвящена изучению свойств декоративных пожаробезопасных износостойких матовых лакокрасочных покрытий, полученных с применением двухфазной полимерной системы «полиэфир–фторполиуретановый олигомер».

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ в рамках реализации комплексного научного направления 17. «Комплексная антикоррозионная защита, упрочняющие, износостойкие защитные и теплозащитные покрытия» комплексной научной проблемы 17.7. «Лакокрасочные материалы и покрытия на полимерной основе» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [27].

Материалы и методы

Основным фактором, определяющим свойства лакокрасочного покрытия, является химическая природа пленкообразующего.

В качестве объекта исследований выбран полиэфир ‒ продукт поликонденсации этиленгликоля и глицерина с себациновой кислотой: [–О–R–O–C(O)–(CH₂)₈–C(O)–O–]_n.

Для модификации полиэфирного пленкообразующего в работе исследованы:

Модифицирующие компоненты вводили в полиэфирное пленкообразующее в виде растворов в смеси органических растворителей. Изготовленные лаковые композиции отверждали алифатическим изоцианатом.

Для получения наполненных лаковых композиций использовали структурообразующие и упрочняющие наполнители, а также пигменты.

Экспериментальным путем выбрана оптимальная рецептура для создания износостойкого матового пожаробезопасного лакокрасочного покрытия марки ВЭ-86. Для проведения исследований изготовлены образцы из сплава Д16-АТ Ан.Окс.нхр, а также стеклопластика ВПС-39П для нанесения системы покрытий на основе грунта-наполнителя ВГ-45 и эмали ВЭ-86. Толщина системы покрытий составляла 70–100 мкм. Покрытия на поверхность образцов наносили методом пневматического распыления.

Для проведения исследований использовали стандартные методы: жизнеспособность (время желатинизации) определяли по ГОСТ 27271–2014; адгезию ‒ по ГОСТ 15140–78 (для металла) и ГОСТ 31149–2014 (для полимерного композиционного материала); прочность покрытия при ударе ‒ по ГОСТ 4765–2024; эластичность покрытия при изгибе ‒ по ГОСТ 6806–2024; прочность при растяжении (эластичность) ‒ по ГОСТ 29309–92; блеск покрытия под углом замера 60 градусов ‒ по ГОСТ 31975–2017; устойчивость к абразивному износу (истиранию) ‒ по ИСО 7784-2:2016; шероховатость ‒ по ГОСТ 25142–82. Структуру лакокрасочных покрытий исследовали с применением сканирующего электронного микроскопа.

Результаты и обсуждение

Для проведения исследований свойств модифицированных лаковых покрытий на основе полиэфирного пленкообразующего изготовлены экспериментальные образцы. Лаковые композиции наносили методом пневматического распыления, сушку покрытий проводили при комнатной температуре.

В табл. 1 приведены результаты определения технологических, физико-механических свойств, а также адгезии покрытий на основе исследуемых лаковых композиций.

Таблица 1

Определение технологических свойств, адгезии и физико-механических свойств

модифицированных лаковых композиций

Из полученных результатов следует, что время высыхания полиэфирных покрытий, модифицированных фторполиуретановым олигомером, а также тиолсодержащим полиуретаном составляет 6 ч; время высыхания покрытий, модифицированных полисульфидным каучуком: 8 ч. Следует отметить, что жизнеспособность (время желатинизации) вышеуказанных лаковых композиций зависит от содержания модификатора в полиэфирном пленкообразующем и составляет от 7 до 48 ч, что существенно превышает продолжительность рабочей смены. Адгезия всех исследуемых лаковых покрытий к поверхности сплава Д16-АТ Ан.Окс.нхр составляет 1 балл, эластичность при изгибе 1 мм. Прочность при ударе лаковых покрытий на основе полиэфирного пленкообразующего, модифицированного фторполиуретановым олигомером, при содержании модификатора 10–30 % составляет 5 Дж, в отличие от аналогичных композиций, модифицированных тиолсодержащим полиуретаном и полисульфидным каучуком, у которых прочность при ударе 1 Дж.

В табл. 2 и на рис. 1 приведены результаты определения декоративных свойств ‒ блеска и шероховатости покрытия, а также износостойкости при истирании по ISO 7784-2:2016.

Таблица 2

Определение декоративных свойств

и износостойкости модифицированных лаковых покрытий

Рис. 1. Результаты определения шероховатости (а) и износостойкости (б) модифицированных лаковых покрытий

Анализ результатов, полученных при определении шероховатости и износостойкости, показал, что лаковые покрытия на основе полиэфирного пленкообразующего, модифицированного полисульфидным каучуком, по шероховатости и износостойкости существенно уступают аналогичным покрытиям, модифицированным фторполиуретановым олигомером и тиолсодержащим уретаном. Видно, что наиболее износостойкими являются полиэфирные покрытия, модифицированные фторполиуретаном (10 %), а также тиолсодержащим уретаном (20 %). Это связано с тем, что наиболее шероховатые покрытия при истирании изнашиваются наиболее интенсивно за счет выравнивания рельефа поверхности при истирании.

На основании полученных результатов в качестве полимерного пленкообразующего выбрана полиэфирная композиция, содержащая 10 % фторполиуретанового олигомера, обладающая наиболее высоким уровнем свойств: адгезия 1 балл; прочность при ударе 5 Дж, эластичность при изгибе 1 мм, износостойкость 0,0067 г.

Разработана система лакокрасочных покрытий на основе грунта-наполнителя ВГ-45 и износостойкой матовой эмали ВЭ-86. Исследованы адгезия, физико-механические, декоративные, влагозащитные свойства, а также износостойкость системы покрытий на основе грунта-наполнителя ВГ-45 и эмали ВЭ-86 в исходном состоянии (табл. 3, рис. 2).

Видно, что покрытие на основе грунта-наполнителя ВГ-45 и износостойкой матовой эмали ВЭ-86 обладает высокой адгезией к алюминиевому сплаву Д16-АТ Ан.Окс.нхр, а также стеклопластику ВПС-39П, прочностью при ударе, эластичностью и износостойкостью.

Таблица 3

Результаты определения свойств системы покрытий на основе грунта-наполнителя ВГ-45 и износостойкой матовой эмали ВЭ-86

Рис. 2. Внешний вид образцов покрытия ВЭ-86 в исходном состоянии (а), после определения прочности при ударе (б) и при растяжении (эластичности) (в), адгезии на сплаве Д16-АТ Ан.Окс.нхр (г)

Исследована микроструктура износостойкого матового покрытия в исходном состоянии и после истирания.

Микроструктурные исследования проведены с помощью сканирующего электронного микроскопа при увеличении ×4000. Результаты микроструктурных исследований, а также внешний вид образца после испытания на износостойкость приведены на рис. 3.

Микроструктурные исследования исходного покрытия на основе эмали ВЭ-86 показали (рис. 3, а), что эмаль равномерно распределена на поверхности подложки. Эмаль наполнена пигментами в виде мелкодисперсного порошка и частиц пластинчатой формы. В эмали выявлены единичные микропоры, трещин и расслоений не обнаружено.

После испытания на истирание эмали ВЭ-86 (рис. 3, б) происходит закономерное выкрашивание частиц наполнителя из покрытия и образование борозд в виде пластических деформаций поверхностного слоя. Борозды состоят из агрегатов порошкообразных частиц и полимерной матрицы. Выявлены также участки с разрушением частиц пластинчатой формы (рис. 3, б). Обнаружены участки со смятием (деформацией) полимерной матрицы (рис. 3, б). Трещин и обнажения металлической подложки не выявлено.

Рис. 3. Микроструктура поверхности покрытия ВЭ-86 в исходном состоянии (а) и после испытаний на истирание (б), а также внешний вид образца после испытаний на износостойкость (в)

Исследовано водопоглощение системы покрытий на основе грунта-наполнителя ВГ-45 и износостойкой матовой эмали ВЭ-86 после испытаний в дистиллированной воде в течение 15 сут при комнатной температуре. Водопоглощение покрытия определяли гравиметрическим методом по изменению весовых характеристик образцов в процессе испытаний. Кинетическая кривая водопоглощения системы лакокрасочных покрытий на основе грунта-наполнителя ВГ-45 и износостойкой матовой эмали ВЭ-86 приведена на рис. 4.

Рис. 4. Кинетика водопоглощения системы покрытий на основе грунтовки ВГ-45 и эмали ВЭ-86

Из анализа кривой равновесной сорбции следует, что при экспозиции покрытия в дистиллированной воде происходит увеличение массы покрытия. При этом достижение равновесной сорбции происходит в течение первых 5 сут. Покрытие на основе грунтовки ВГ-45 и эмали ВЭ-86 при толщине покрытия 75 мкм достигает максимального значения водопоглощения 2,1 %.

Исследована микроструктура износостойкого матового покрытия ВЭ-86 в исходном состоянии и после испытания в дистиллированной воде в течение 15 сут (рис. 5).

Рис. 5. Микроструктура поверхности покрытия ВЭ-86 в исходном состоянии (а) и после испытания в дистиллированной воде (б)

Видно, что микроструктура покрытия ВЭ-86 в исходном состоянии и после испытания не претерпевает значимых изменений по сравнению с исходным образцом.

Поскольку покрытия, применяемые для защиты внутренней поверхности кабины пилота, должны соответствовать нормативам АП-25 по пожароопасности, в данной работе определены показатели, определяющие пожароопасность: горючесть, тепловыделение и дымообразование.

В табл. 4 приведены результаты испытаний на тепловыделение системы покрытий на основе эмали ВЭ-86. Испытания проводили на подложке из стеклопластика ВПС-39П, среднее значение толщины системы покрытий составляло 80 мкм.

Таблица 4

Результаты испытаний на тепловыделение системы покрытий

на основе грунта-наполнителя ВГ-45 и износостойкой матовой эмали ВЭ-86

В табл. 5 приведены результаты испытаний на горючесть системы покрытий на основе грунта-наполнителя ВГ-45 и износостойкой матовой эмали ВЭ-86. Испытания проводили при вертикальной ориентации образцов на подложке из алюминиевого сплава Д16-АТ Ан.Окс.нхр при средней толщине системы покрытий 80 мкм.

Таблица 5

Результаты испытаний на горючесть образцов с системой покрытий

на основе эмали ВЭ-86 (толщина 80 мкм)

на подложке из алюминиевого сплава Д16-АТ

В табл. 6 приведены результаты испытаний на дымообразование системы покрытий на основе грунта-наполнителя ВГ-45 и износостойкой матовой эмали ВЭ-86. Испытания проводили на подложке из стеклопластика ВПС-39П, среднее значение толщины системы покрытий составляет 80 мкм.

Таблица 6

Результаты испытаний на дымообразование образцов с системой покрытий на основе грунта-наполнителя ВГ-45 и износостойкой матовой эмали ВЭ-86

Из результатов испытаний, полученных при определении горючести, дымообразования и тепловыделения системы покрытий на основе грунта-наполнителя ВГ-45 и износостойкой матовой эмали ВЭ-86, следует, что система покрытий, разработанная для окраски панелей приборов и элементов кабины пилота, соответствует требованиям АП-25, АП-27 и АП-29 по пожарной безопасности.

Заключения

Изготовлены полимерные лаковые композиции на основе полиэфирного пленкообразующего, содержащие модифицирующие компоненты: фторполиуретановый олигомер, тиолсодержащий полиуретан, а также полисульфидный каучук. Определены технологические свойства, адгезия и физико-механические, а также декоративные свойства и износостойкость модифицированных лаковых композиций. Показано, что наиболее износостойким является полиэфирное покрытие, модифицированное фторполиуретановым олигомером.

Выбрана полиэфирная композиция, модифицированная фторполиуретановым олигомером, обладающая наиболее высоким уровнем свойств: адгезия 1 балл; прочность при ударе 5 Дж, эластичность при изгибе 1 мм, износостойкость 0,0067 г.

Исследованы адгезия, физико-механические, декоративные и влагозащитные свойства, а также износостойкость системы покрытий на основе наполнителя ВГ-45 и эмали ВЭ-86 в исходном состоянии.

Установлено, что покрытие на основе грунта-наполнителя ВГ-45 и износостойкой матовой эмали ВЭ-86 обладает высокой адгезией к алюминиевому сплаву Д16-АТ Ан.Окс.нхр, а также к стеклопластику ВПС-39П, прочностью при ударе (эластичностью) и износостойкостью.

Исследована микроструктура износостойкого матового покрытия в исходном состоянии и после истирания.

Исследовано водопоглощение, а также микроструктура системы покрытий на основе грунта-наполнителя ВГ-45 и износостойкой матовой эмали ВЭ-86 в исходном состоянии и после испытаний в дистиллированной воде в течение 15 сут при комнатной температуре.

Показано, что покрытие на основе грунта-наполнителя ВГ-45 и эмали ВЭ-86 водостойкое. Микроструктура поверхностного слоя покрытия на основе эмали ВЭ-86 в исходном состоянии и после испытаний в дистиллированной воде не претерпевает значимых изменений по сравнению с исходным образцом.