摘要：利用有机硅树脂对环氧树脂进行改性，添加了一定量的纳米二硫化钼、纳米铝粉、导电碳黑和石墨，制作了一种黑色耐磨防腐导电涂料。实验表明，当有机硅树脂用量为12%，填料为8%，混合溶剂组成为m(丙酮)∶m(醋酸乙酯)∶m(醋酸丁酯)∶m(二甲苯)=2∶1∶1∶1、用量为48%时，所得涂料耐磨性和防腐性能良好，涂层表面电阻达到了2.2×104Ω/cm2，具有较好的导电和防电磁性能。该涂料可以应用于陆军武器装备表面的电磁防护。
关键词：导电涂料；有机硅树脂；环氧树脂；耐磨性；防腐
1·前言
随着世界各国探测技术与制导技术的快速发展，对武器装备提出了明确的隐身需求，要求新研制的装备必须具有一定的隐身防护性能。由于涂料具有很多优点，如使用方便、适应现场及在野战条件下对武器装备的快速实施，对武器装备的外形不需作任何的改动，对设计不提要求，适宜在现有装备上推广使用等，因而吸波涂料作为一种防雷达波隐身措施而获得广泛应用[1-2]。雷达吸波涂料一般由粘结剂和吸收剂组成。吸收剂大部分为粉剂或纤维状，如铁氧体粉、金属超细粉末、陶瓷纤维、导电碳黑、石墨、导电高分子材料、纳米材料、空心微珠等[3-6]。目前，雷达吸波涂料采用的树脂有聚氨酯、环氧树脂和氯丁橡胶等[7-8]。环氧树脂形式多样、固化方便、粘附力强，固化后体系收缩性低，具有优异的力学性能和特殊的化学稳定性，且价格低廉，是吸波涂料应用最广泛的树脂基体材料，但其耐磨性、柔韧性较差，需要对其进行改性。
本文采用有机硅树脂改性环氧树脂E-51。有机硅树脂具有良好的低温柔韧性、耐热性和耐候性，而且表面能低，用其改性环氧树脂能提高韧性和耐高温性能、降低内应力。但是环氧树脂与有机硅树脂物理共混的相容性差，很难达到改性的目的，因而采用化学方法进行共混，即利用有机硅树脂中的羟基、氨基、烷氧基与环氧树脂中的羟基进行缩合反应，生成嵌段高聚物[9]，才能实现有机硅对环氧树脂的化学改性。另外，在有机硅改性环氧树脂中加入刚性无机填料(如纳米SiO2、MoS2、Al2O3，改性蒙脱土等)进一步改性，可以大大提高涂料的耐高温和耐磨性能。试验表明，改性涂料的附着强度、抗冲击磨损能力都有很大提高。另外，加入一定量的导电碳黑和石墨，能使涂料涂膜的表面电阻大大降低，从而具有一定的导电能力和防电磁性能。
2·实验
2.1 主要原料和仪器
环氧树脂E-51、有机硅树脂和固化剂T31，江西省宜春市卓越化工公司；碳黑(2000目)、石墨粉(3000目)、抗氧化剂1010，天津化学试剂公司；纳米二硫化钼、纳米铝粉，武汉江北化学试剂公司；丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯和二甲苯，天津市天大化学试剂厂。
电子天平(FA2004N)，上海精密科学仪器有限公司；精密电动搅拌器，江苏金坛市荣华仪器制造有限公司；ACL-385表面阻抗仪，陕西谱脉技术有限责任公司；盐雾试验箱(1804)、MS-255型湿砂橡胶轮磨损试验机，天津天宇实验公司。
2.2 涂料制作
首先将环氧树脂溶于混合溶剂中，在室温下完全溶解后加入有机硅树脂及涂料助剂，在温度为40~60°C条件下反应2h，然后加入填料和抗氧剂，高速搅拌混合均匀，即可制成黑色耐磨涂料的A组分。在使用的时候，将A组分和固化剂B组分按照一定的比例混合均匀即可。
2.3 性能测试
2.3.1 耐磨性试验
涂膜耐磨性参照GB/T1768–2006《色漆和清漆耐磨性的测定旋转橡胶砂轮法》，采用湿砂橡胶轮磨损试验，其原理是利用转动的橡胶轮带动与水混合的矿砂、砂石、泥沙等磨料对各种金属或非金属材料产生磨损，根据失重量测定材料的相对磨损性。涂层厚度为(25±5)μm，材料使用45钢基体，转速为600r/min，载荷40N。实验前先预磨200转，准确称重后开始正式实验。磨损1000转后，准确称重，计算相对磨损率。
2.3.2 盐雾箱加速腐蚀试验
此试验用于验证不同含量的有机硅树脂对涂料涂膜的防腐蚀性能。用A3钢、炮钢、20钢、45钢进行实验，其中炮钢为武器装备中常用的PCrNiMoV合金钢。试片规格为25mm×50mm×3mm，按GB/T9271–2008《色漆和清漆标准试板》规定的方法进行处理，然后将混合好的不同含量的有机硅树脂涂料分别喷涂于试片表面，完全干燥后膜厚为0.03mm，置于盐雾箱中。为了与本涂料进行对比，将空白的各试片置于盐雾箱中，同时进行实验。盐雾试验条件依据GB/T10125–1997《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》设定，试验参照GB/T1771–1991《色漆和清漆耐中性盐雾性能的测定》进行。
2.3.3 表面电阻的测定
按照GB/T1410–2006《固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法》进行测试。
3·结果与讨论
3.1 耐磨性能实验结果
为了增加涂层的表面耐磨性能，在涂料中添加了纳米二硫化钼，该物质具有优良的耐磨性能。纳米二硫化钼的用量对涂膜耐磨性的影响见表1。
表1 纳米二硫化钼的用量对涂膜耐磨性的影响
由表1可知，随着纳米二硫化钼添加比例的增加，涂层的相对磨损率有了明显的降低，但是当其含量在涂料中大于1.0%时，涂层的相对磨损率变化不大。综合考虑成本，在填料中添加12%的纳米二硫化钼，即其在涂料中的用量为1.0%。
3.2 有机硅树脂含量对涂层防腐性能的影响
本涂料主要成膜物质是环氧树脂，该树脂形成涂层后具有优异的附着力、高填充量、耐化学药品、高防腐蚀性能和耐水性。但是由于环氧树脂涂层表面的柔韧性和耐候性较差，同时脆性较大，加速防腐性能较差，因此通过增加柔韧性能较好的有机硅树脂，使涂层的表面性能得到改善。有机硅树脂用量对涂层耐蚀性的影响见表2。可以看出，随着有机硅树脂含量的增加，涂膜的防腐性能得到了很大的提高，但是当有机硅树脂含量大于12%以后，防腐性能的提高并不明显，故本涂料选择有机硅树脂含量为12%。
表2 有机硅树脂含量对涂层的盐雾腐蚀试验结果
3.3 填料用量对涂层导电性能的影响
碳黑、石墨和纳米铝粉都是电的良好导体，具有很好的导电性能和电磁屏蔽性能。以碳黑、石墨和纳米铝粉为填料，其用量对涂膜表面电阻率的影响见图1。
图1 涂层表面电阻率随填料用量的变化
由图1可知，当碳黑、石墨和纳米铝粉混合填料的用量从4%增加到6%时，涂层的表面电阻急剧下降；当填料用量超过8%，涂层的表面电阻率降低缓慢，同时，填料用量过大会降低涂层的附着力。因此，综合涂层的物理性能和导电性能，填料最佳的添加比例为8%，此时所得涂膜的表面电阻率为2.2×104Ω/cm2，涂膜对电磁波具有一定的防护性能。
3.4 混合溶剂的确定
涂料中使用溶剂是为了将基料溶解成具有适当黏度的溶液，便于喷涂或涂刷，得到均匀的涂层，而在喷涂或涂刷后又必须使溶剂从涂层中挥发掉。因此，溶剂的选择十分重要。经过试验发现，能够完全溶解环氧树脂和有机硅树脂的溶剂有醋酸乙酯、醋酸丁酯、醋酸戊酯、丙酮、丁酮、甲基异丁酮、甲苯、二甲苯等。考虑到成膜的速度和溶解度参数，经过大量的试验确定了该涂料的溶剂及配比为：m(丙酮)∶m(醋酸乙酯)∶m(醋酸丁酯)∶m(二甲苯)=2∶1∶1∶1。在此条件下得到的涂层表面比较平整，在室温下，表干时间为2h，实干时间为24h左右。
3.5 涂料性能测试结果
根据上述试验确定的涂料配方为(以质量分数表示)：
涂料配方
其中，填料是由碳黑(2000目)40%、石墨粉(3000目)10%、纳米二硫化钼12%和纳米铝粉38%混合而成(均为质量分数)，混合溶剂由丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯和二甲苯按质量比2∶1∶1∶1组成。按此配方研制的涂料具有一定的耐磨、防腐和导电功能，可以用作防电磁材料。涂料涂膜的主要性能测定结果见表3。
表3 涂膜主要性能测试结果
4·结论
以环氧树脂为主要成膜物研制了一种耐磨、防腐和导电的涂料，该涂料在常温下即可固化，2h即可表干，24h左右实干。涂料经过有机硅树脂改性后，成膜具有良好的耐盐雾性能；添加一定量的纳米二硫化钼后，涂层耐磨性具有很大的改善；通过添加具有导电性能的填料(包括碳黑、石墨粉和铝粉)，涂层表面电阻达到了2.2×104Ω/cm2，具有一定的导电性能，从而获得一定的防电磁性能，可广泛应用于陆军装备表面的电磁防护。
