大面积硅橡胶防热涂层自动刮涂工艺研究

戚 鹏，刘洪源

（航天材料及工艺研究所，北京 100076）

0 引言

当前，某产品外表面防热涂层的涂装主要采用自动喷涂为主、手工刮涂为辅的工艺进行施工，生产过程需添加大量的有机溶剂进行稀释后才能满足喷涂条件。喷涂及涂层固化过程中，伴随着大量的溶剂挥发，废气排放量很大，废气排放环保治理问题突出。

国家“十三五”规划已将涂料VOC 纳入环保总量控制指标，高VOC 涂料的使用将面临严厉的环保管制，同时，高溶剂型涂料的喷涂随时面临停产或限产。现有喷涂工艺存在较大的危害人员健康及环保治理隐患，急需开展高固含涂料的自动刮涂工艺研究，大幅减少有机溶剂的使用量。

1 研究技术方案

1.1 自动刮涂系统技术方案（见图1）

图1 自动刮涂系统技术方案

1.2 自动刮涂系统的设计

自动刮涂系统工艺尤其适用于圆筒形工件自动刮涂。卧式夹持旋转机构由车体、工件驱动支撑卡爪、工件从动支撑卡爪、驱动减速电机等组成。旋转机构两端都配备有四爪调心卡盘，方便不同直径的工件进行调节，满足产品的多样性的需求。试验用自动刮涂系统样机如图2 所示。

图2 试验用自动刮涂系统样机

当开始刮涂工件时，安装在调节轴上的刮板机构在调节到适当位置后，由三维行走机构根据设定的程序，将涂料刮涂到工件表面。

可编程控制器PLC 是整个电气控制系统的主要部分，主要承担系统的信号处理、控制运算等任务。控制程序中设有相关设备的互锁及连动逻辑时序，以实现整体系统的安全可靠运行。

1.3 刮涂姿态控制工艺

1.3.1 刮板接触工件位置试验

在工件侧方向同时进行涂覆与刮涂时，通过刮板倾角流到工件表面并同时受到刮板挤压，涂层附着力效果最好，同时水平可操控性良好，便于控制，涂层表面无明显缺陷，如图3 所示。

图3 侧面涂覆与刮涂同步

1.3.2 刮板接触工件角度试验

为了保证涂料的流动性及留有可操作的间隙，防止涂料持续流出，外流浪费并污染涂层表面，选择60°与45°进行试验。

如图4 与图5 所示，无论60°或45°接触角，在首次刮涂时，由于刮板堆料的需要，在边缘都会产生一定留挂，但随着刮涂继续，45°接触角由于倾角大，相对涂料流速较快，涂料挤压力大，适应更快的工件转速与刮板行走速度。

图4 刮板与工件不同接触角

图5 刮涂效果图

1.4 自动刮涂工艺参数优化

1.4.1 刮涂用涂料溶剂比例优化

刮涂用涂料与喷涂用涂料相比，由于溶剂比例小，其固化速度相对较快。为了确定可用的较优的涂料黏度，分别使用不同的溶剂比例来配置防热涂料，并测量其黏度变化。

根据表1 试验可知，随着涂料中溶剂比例增大，其固化时间随之变长；初始黏度中，30%与50%溶剂体积分数的涂料黏度过低，留挂严重，无法有效附着在产品表面；在刮涂1.5 h 后，10%溶剂比例涂料黏度达到150 000 mPa·s，其刮涂效果见图6，附着力下降，表面破损严重；而2 h 后，10%溶剂体积分数涂料已经固化，无法测量其黏度。

表1 不同溶剂比例下防热涂料黏度变化

图6 10%溶剂防热涂层静置1.5 h 后刮涂效果

因此，选择10%～12%溶剂体积分数的防热涂料作为刮涂用涂料配比，涂料使用时间确定在1.5 h 以内。

1.4.2 供料压力参数优化

供料泵压力是影响防热涂料挤出量的主要因素。挤出量应根据刮板规格尺寸以及行走速度等因素协同控制，避免浪费。在实际施工中，涂料挤出量与挤出嘴口径、涂料特性、供料压力差相关，如公式（1）所示：

式中：Q 为流量，m3/s；μ 为流量系数，与阀门或管子的形状有关，一般管路取0.6～0.65；A为面积，m2；p 为通过阀门前后的压力差，在此指涂料压力，Pa；ρ 为流体的密度，kg/m3；d 为喷嘴孔径，mm。

从式（1）可以看出，针对特定防热涂料，在选定挤出嘴的情况下，工作压力决定了出料流量。

通过试验，最终制定适宜的供料压力为0.7 MPa，防热涂料出料量约400 g/min。

1.4.3 刮涂系统工艺参数优化

自动刮涂系统所需要设定的主要工艺参数包括工件转速、刮板行走速度、循环步退距离、循环间隔时间以及首次进入延时时间等。

工件转速：工件转速需要与刮板行走速度相配合，刮涂转速3～6 r/min。

刮板行走速度：刮板行走速度1.2～2.4 mm/s。

刮板循环步退距离：每次刮涂的循环步退距离不超过1 mm。

循环刮涂间隔时间：为了保证涂层与上一遍涂层产生一定结合力，刮涂结束后晾置15～30 min 后再进行下一遍刮涂。

首次刮涂起始延时：在初次进行刮涂时，为方便出料嘴供料，初次刮涂起始延时为6～10 s。

2 典型样件刮涂及工艺稳定性验证

2.1 简单直筒与复杂凸筒刮涂验证

为了验证刮涂可行性及长时间稳定性，制作了典型样件进行初步工程应用。根据生产情况，制作了简单直筒与复杂凸筒，如图7 所示。

图7 典型产品模拟样件

简单直筒与复杂凸筒都用采用铝型材卷制而成，其中凸起物4 块居中铆接而成。按照优化的工艺参数进行刮涂，总计试验用时约3 h，其中刮涂时间约2 h，配料及其他用时约1 h。共计配料40 kg，其中使用涂料36 kg，有机溶剂4 kg。

具体生产方式为每刮涂2 次，使用2 次剩余涂料刮涂第3 次。每刮涂完3 次后，不进行步退，不送料的空刮一次，以增加涂层结合力，去除表面多余留挂。空刮结束后，清洗管路、出料嘴与料缸。后继，重复上述步骤。

涂层固化后，使用机加工方式对外表面涂层进行切削处理。

加工后产品如图8 与图9 所示，涂层结合完好，未出现脱粘或开裂等现象。

图8 刮涂后的直筒模拟样件

图9 刮涂后的直筒模拟样件

2.2 刮涂工艺涂层性能考核

2.2.1 力学性能考核

拉拔后的涂层在基材表面残存涂层，证明结合良好。涂层拉拔结合强度大于1 MPa，达到设计要求。

2.2.2 隔热性能考核

根据设定的热流曲线，分别对4 块试片（喷涂方式2 块，刮涂方式2 块）进行石英灯烧蚀试验，测量背温，如图10 所示。

图10 试片烧蚀背温曲线

由图10 可知，约60 s 后自动刮涂工艺制备的3#、4# 试片背温情况始终低于自动喷涂工艺制备的1#、2#试片，最高相差约25 ℃。

比较烧蚀后的涂层外观，自动刮涂工艺制备的3#、4#试片碳化情况明显较少，涂层表观优于自动喷涂工艺制备的1#、2#试片。

3 结论

相对自动喷涂工艺含有体积分数为50%～60%的溶剂量，大面积硅橡胶防热涂层自动刮涂工艺减少到10%左右，刮装工艺所需的汽油等溶剂用量大幅度降低，提高涂料利用率和单遍涂层有效厚度，节约成本，提高工作效率。危废处理成本能够降低70%以上，安全性、环保性大大提高，且符合国家环保部门未来发展规划。通过工艺研究，取得了一系列成果。

1）操作者通过电控柜对整体刮涂系统的运行参数进行监控与更改，方便操作，利于大规模批生产。

2）通过对刮板与工件间接触姿态进行分析，确定侧面45°接触角的刮涂姿态。

3）通过开展不同溶剂添加含量，涂料黏度变化规律以及刮涂效果的研究，确定了10%～12%的溶剂体积分数，0.7 MPa 的供料压力工艺参数。

4）通过刮涂涂层的力学性能与隔热性能考核。

5）编写工艺指导资料，指导生产。