防火涂料在飞机上的应用性能研究

火灾能引发空难，涂覆防火涂料可以减少火灾带来的危害。当火灾发生时，防火涂料可以迅速发挥作用，阻止或减缓火势扩散，通过化学反应消耗热量，有效降低基材温度，起到保护作用[1]。从20世纪70年代开始，国外在飞机上使用防火涂层。早期用于飞机结构的防火涂料为不发泡的饰面型防火涂层，由于饰面型防火涂层防火能力较弱，20世纪40年代末期开始研制有机膨胀型防火涂层，此类涂料主要特点是防火性能和理化性能均优于无机防火涂料，涂层遇火时能形成具有良好隔热性能的海绵状膨胀泡沫碳化层，能更有效地保护基材。从20世纪80年代开始，飞机上使用的大部分防火涂料为膨胀型防火涂料，为进一步提高防火能力，多采用保护面层涂料与防火膨胀层涂料配合的形式，在膨胀发泡时，保护面层涂料可使防火膨胀层形成较致密的隔热阻燃碳化结构，隔热防火效果好而且不易剥离[2-3]。目前，世界各国都很重视新型防火涂料的研究和应用，并加大了研究和开发力度，而对与防火涂料密切相关的阻燃剂研究更是成绩斐然，这又促进了新型防火涂料的开发研究。波音、普惠、诺思罗普等公司在F-22、C-130等飞机及发动机结构上都使用了防火涂料或防火贴膜。美国TRI公司开发的膨胀型防火涂层应用于麦道公司为美国空军研制的C-17“环球空中霸王”（Global Master）、JSF、F-117和B-2等飞机上；英国Indestructible Paint公司生产的IP9189防火涂料应用于空客A320、A340，以及Eurocopter EC135；其他产品还有美国Aircraft Extras公司的Contrgo防火涂料，美国Flame Control 公司的FC No.173膨胀型防火涂料等。我国防火涂料的研究起步较晚，虽然自20世纪80年代以来我国防火涂料开发研究的成果颇多，进步较快，但与国外发达国家相比，特别是与英国、德国、日本、美国等国家还有较大差距。

一、试验部分

1.1 试验材料

1）防火涂料，防火面漆，H06-1012H底漆；

2）2024-T3包铝铝板；

3）碳纤维复合材料层压板。

1.2   主要仪器设备

1）电光分析天平，上海精科仪器厂；

2）温度计，常州市瑞明仪表厂；

3）黏度计，天津伟达试验机厂；

4）电子数显千分尺，桂林星具刃具厂；

5）打磨性测定仪，上海现代环境工程技术有限公司；

6）拉脱法附着力仪，美国迪夫斯高公司；

7）附着力测定仪，天津材料试验机厂；

8）盐雾试验箱，上海试验仪器厂；

9）调温调湿箱，重庆威尔试验设备有限公司；

10）氙灯试验箱，美国Q-LAB公司；

11）W-71型（喷嘴口径为1.3 mm）喷枪，日本岩治株式会社；

12）W-77型（喷嘴口径为3.0 mm）喷枪，日本岩治株式会社；

13）符合AS 5127-2标准规格的自制燃烧器，用于燃烧性能测试；

14）DHG-9070型电热恒温鼓风干燥箱，上海佳胜试验设备有限公司。

1.3   试验件制备

1）铝板处理：铝板经过清洗后去掉表面氧化膜，然后用Alodine 1200进行氧化处理。清洗之后采用温度≥90 ℃的热水对表面钝化膜进行封闭处理。

2）底漆喷涂：将底漆倒入W-71-1S型喷枪中，并调节雾化压力。在温度为（25±3） ℃、相对湿度为40% ~ 60%的条件下，对处理过的铝板进行喷涂。喷涂时，要保证铝板表面喷涂均匀，并且干燥后漆膜的厚度为12.5 ~ 27.0 μm 。喷涂后，在温度为25 ~ 30 ℃、相对湿度为40% ~60%的条件下放置12 ~ 48 h干燥，用于防火涂料刷涂。

3）防火涂料刷涂：按照测试项目要求，在喷涂过底漆或不要求喷底漆的铝板上进行防火涂料刷涂，制成相应厚度的样件。

4）防火涂料保护面漆喷涂：将面漆倒入W-71-1S型喷枪中，并调节喷出压力。在温度为（25±3） ℃、相对湿度为40% ~ 60 %的条件下，对经过底漆、防火涂料处理过的铝板进行喷涂，只经过防火涂料处理过的铝板不喷面漆。喷涂时，要保证铝板表面喷涂均匀，并且干燥后漆膜的厚度控制在15 ~ 25 μm。喷涂后，在温度为25 ~ 30 ℃、相对湿度为40% ~ 60%的条件下干燥，用于防火涂料防火性能的测试。

1.4   性能测试

防火涂料及配套保护面漆涂层系统测试项目及结果见表1，防火涂料厚度为0.8 mm，配套面漆厚度为（20±5） μm。防火涂料测试项目及结果见表2，涂料厚度为0.8 mm，采用刷涂法制板，原漆黏度太大。防火涂料配套保护面漆测试项目及结果见表3，配套保护面漆厚度为（20±5） μm。

二、结果与讨论

2.1   防火涂料及配套保护面漆涂层系统基本性能研究

从5组涂层系统样品的测试结果可以看出：涂层系统的可脱除性差别不大，退漆剂平均用量为519.8 g/m2，④号涂层系统退漆剂的使用量最少，为502.0 g/m2；样品在经过600 h耐盐雾腐蚀后面板均无生锈、变色等现象发生，但划痕处均起大泡，39 h后开始陆续起泡；在经过14 d的湿热环境测试后，涂层系统的耐湿热性均为5级，但在64 h后均开始起泡；在经过28 d的耐霉菌性能测试后，样品的耐霉菌性出现差异，②、③号涂层系统的耐霉菌性为1级，其余3个涂层系统的耐霉菌性为2级；样品经过500 h人工老化后均未出现起泡、开裂等现象，但是色泽发生变化，③、④号涂层系统的变色为1级，失光为2级，①、②号涂层系统的变色为1级，失光为3级，⑤号涂层系统的变色为1级，失光为4级；经过15个冷热循环后，样品均未出现起泡、开裂等现象。综合以上测试结果，说明防火涂层系统整体耐环境性能良好。

2.2   防火涂料基本性能研究

从5组防火涂料样品的测试结果可以看出，防火涂料均无刺激性气味，容器中状态均为白色黏稠液体，呈腻子状，无肝化现象；非挥发物含量的最小值为71.10%，密度最小值为1.296 g/mL；防火涂料黏度较大，平流性较差，采用刷涂法较易施工，喷涂法无法操作；刷涂后漆膜不均匀，不光滑，无起皱现象；漆膜干燥后，表面粗糙、坚硬，不易打磨成平整表面；采用2种试验方法测试了防火涂料的干燥时间，表干时间2 h、实干时间24 h，均能满足现场施工要求。

2.3 防火涂料配套保护面漆基本性能研究

从5组防火涂料配套面漆的测试结果可以看出，防火涂料的施工黏度适合，喷涂中雾化性能好，无流挂现象，干漆膜无缩孔、橘皮、起皱、开裂等现象，表面有痱子；面漆附着力较好，柔韧性和耐冲击性能满足飞机设计要求；经过耐介质试验后，漆膜无起泡、起皱、剥落现象。综合以上测试结果，说明防火涂料配套面漆施工性良好，漆膜表面质量一般，耐介质性能优异。

2.4 防火性能研究

使用燃烧器测试了3块铝板试样的防火性能，图1中铝板涂覆0.5 mm防火涂料，有底、面漆；图2中铝板涂覆0.8 mm防火涂料，有底、面漆；图3中铝板涂覆0.8 mm防火涂料，无底、面漆。图中同时给出了燃烧过程铝板背面温度曲线和燃烧后铝板正面碳层外貌。图片显示3个试样在燃烧测试15 min内背面温度均未超过500 ℃。图1中试样燃烧过程中防火涂料出现膨胀，且膨胀程度较明显，碳层发生开裂并伴有大片脱落；图2中试样燃烧过程中防火涂料膨胀明显，碳层未出现裂缝及脱落；图3中试样燃烧过程中防火涂料膨胀明显，燃烧层疏松且开裂面积较大，伴随有碳层掉渣现象；由此可见，防火涂料厚度为0.8 mm，有底、面漆时防火效果最佳。防火涂料的燃烧过程分为2个阶段。第1阶段，燃烧开始，防火涂料发生化学反应，吸收大部分热量，迅速膨胀，只有少部分余热释放到空气中，这一过程对应3张试样燃烧过程背面温度曲线图的0 ~ 50 s阶段。第2阶段，防火涂料的膨胀碳层基本形成，化学反应逐渐结束，吸收热量逐步减少，样品继续燃烧产生的热量开始逐渐释放到环境中，这一过程对应3张试样燃烧过程背面温度曲线图的50 s之后的阶段。随后由于膨胀碳层的存在，抑制防火涂料的热量传递及继续燃烧，最后形成稳定的碳层并结束热量释放及烟气释放。理论上，防火涂料越厚，膨胀碳层的高度越高，内部蜂窝状结构中引入的无对流空气量越多[5]，膨胀碳层的隔热效果越好。因此图2中燃烧过程背面温度比图1中燃烧过程背面温度更低，说明更厚的膨胀碳层起到了更好的抑制防火涂料热量传递和继续燃烧的作用，降低了基材温度。但随着膨胀碳层高度的增加，内部孔隙率增加导致膨胀碳层更加疏松，使其强度下降，易脱落。底、面漆的涂覆，对防火涂层燃烧产生影响，增加了膨胀碳层的致密性和附着力，因此图2中试样燃烧后碳层致密无裂纹，图3中试样燃烧后碳层更加疏松并产生开裂。

三、结语

综上所述，防火涂层系统整体性能较好，配套面漆施工性良好，但是防火涂料黏度较大，喷涂法无法施工，只能采用刷涂法施工。在后续现场应用时，增加人力以及时间成本，需要进一步改进涂料的黏度，优化施工工艺。根据适航相关要求，在防火试验中防火涂料必须至少在15 min内不脱落，基材未出现目视可察觉的变形或烧穿现象，且背面温度不高于500 ℃。因此可以判断，当防火涂料厚度为0.8 mm时，防火涂层系统可以满足飞机的防火要求。

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