0引言

軌道交通行業(yè)作為國家“十三五”、“十四五”重點發(fā)展方向，近年來蓬勃發(fā)展。同時也不可避免地產(chǎn)生了一些有關(guān)環(huán)境保護(hù)的問題，在軌道車輛涂裝過程中使用的溶劑型涂料配套產(chǎn)品會釋放大量的揮發(fā)性有機物，對生態(tài)環(huán)境造成了破壞。秉承“綠水青山就是金山銀山”的中央精神，軌道交通行業(yè)車輛涂裝的環(huán)保化進(jìn)程不斷提速，水性涂料發(fā)展迅猛。軌道交通車輛涂裝年平均消耗涂料超5萬噸，如果使用溶劑型涂料會造成約2.5萬噸有機揮發(fā)性氣體排放到大氣中。使用水性涂料可減少90%以上的有機揮發(fā)性氣體排放，既符合政府對環(huán)境保護(hù)的政策，也是對綠水青山的負(fù)責(zé)。

中國中車車輛制造公司也主動響應(yīng)國家號召，為軌道交通行業(yè)涂料“油轉(zhuǎn)水”順利實施，投資改造了適應(yīng)水性涂料涂裝及干燥的生產(chǎn)線和烘烤線。涂料廠家也積極配合軌道車輛進(jìn)行水性涂料實驗數(shù)據(jù)積累，涂裝工藝試驗等，在材料應(yīng)用越來越成熟的當(dāng)下，客車車輛用水性漆也能夠媲美油性漆的性能。這些都為水性涂料在軌道交通行業(yè)應(yīng)用及發(fā)展提供了堅實的基礎(chǔ)。

本研究采用高性能的水性樹脂、固化劑等制備了軌道交通車輛用水性涂料，分別為水性環(huán)氧底漆、水性聚氨酯中涂漆、水性丙烯酸聚氨酯面漆、水性丙烯酸聚氨酯清漆。并對影響涂層性能的影響因素進(jìn)行研究，并按照《Q/CR581—2017鐵路客車用涂料技術(shù)條件》要求對這4種涂料進(jìn)行檢測，包括單涂層性能測試和配套涂層測試。

1實驗部分

1.1 涂料制備

水性環(huán)氧底漆、水性聚氨酯中涂漆、水性聚氨酯面漆參考配方，見表1。

表 1 涂料基礎(chǔ)配方

制備工藝：A組分的制備：按基礎(chǔ)配方稱料，將水性環(huán)氧乳液/水性羥基丙烯酸樹脂加入調(diào)漆罐中，500 r/min下，依次緩慢加入配方量的BYK-190、TEGO AIREX 901w、沉淀硫酸鋇和顏料，結(jié)束后，1500 r/min 攪拌 10～20 min，用砂磨機研磨至要求細(xì)度（水性環(huán)氧底漆≤40 μm，水性聚氨酯中涂漆≤30 μm，水性聚氨酯面漆≤20 μm）；然后在 800 r/min攪拌下，緩慢加入TEGO WET 270、WT-105A、BYK-333、FA179和去離子水，繼續(xù)攪拌5～10 min，得均勻漆漿，用160目絹布過濾，包裝備用。B組分的制備：在潔凈干燥的配料罐中，加入水性環(huán)氧固化劑/水性異氰酸酯固化劑、丙二醇二醋酸酯，攪拌均勻，用160目絹布過濾，包裝備用；將A組分和B組分混合攪拌均勻后，加入A組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的去離子水稀釋，空氣噴涂制備漆膜。

1.2 性能檢測

單涂層性能檢測

（1）標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件

按GB/T 9278-2008規(guī)定進(jìn)行。除非另有商定，測試前涂料樣品或涂膜試板均應(yīng)在溫度（23±2）℃、相對濕度（50±5）%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下狀態(tài)調(diào)節(jié)至少16 h。

（2）樣板制備及性能測試

試板底材應(yīng)為厚度0.8 mm的冷軋鋼板，彎曲性能試板底材應(yīng)為厚度0.3 mm的馬口鐵板或冷軋鋼板，某些項目另有規(guī)定除外。也可根據(jù)涂料實際用途選擇不同品種或性質(zhì)的底材。各涂層分別按照Q/CR581—2017標(biāo)準(zhǔn)中4.3.3表面處理和涂裝中防銹底漆、中涂漆、實色面漆、車體表面用涂料產(chǎn)品配套涂層體系要求制備樣板及養(yǎng)護(hù)。各涂層及配套涂層的性能測試均按照Q/CR581—2017標(biāo)準(zhǔn)中各涂料產(chǎn)品技術(shù)要求的相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)與檢測依據(jù)進(jìn)行。

配套涂層的制備性能檢測

配套涂層體系由水性環(huán)氧底漆、膩子、水性聚氨酯中涂漆、水性聚氨酯面漆涂料構(gòu)成。試板制備時依次采用底漆、膩子、中涂漆和面漆的順序進(jìn)行配套涂裝。每道漆間隔16 h以上。涂裝前對試板底面情況進(jìn)行打磨和清潔。水性環(huán)氧底漆厚度應(yīng)為（70±5）?，膩子層厚（450±50）?，水性聚氨酯中涂漆（40±10）?，水性聚氨酯面漆（60±5）?。在配套涂層體系全部涂裝完成后，涂膜試板應(yīng)放置7 d后再進(jìn)行測試。測試項目按照Q/CR581—2017標(biāo)準(zhǔn)中車體內(nèi)、外側(cè)表面用配套涂層體系技術(shù)要求—體系A(chǔ)測試標(biāo)準(zhǔn)與檢測依據(jù)進(jìn)行測試。

2結(jié)果與討論

2.1 水性環(huán)氧底漆

軌道交通車輛用涂料中對水性環(huán)氧底漆的要求主要為較高的機械性能和防腐性能。主要影響因素為水性環(huán)氧樹脂和固化劑。

水性環(huán)氧樹脂的選擇

水性環(huán)氧底漆的涂膜性能主要由樹脂決定，影響其性能的因素有乳化劑、粒徑、氯離子含量等。客車運行環(huán)境復(fù)雜，機械性能和防腐蝕性要求較高，所以挑選了韌性好、對金屬基材附著力強、防腐性能好的水性環(huán)氧樹脂EP-1和EP-2，并進(jìn)行了對比試驗，測試結(jié)果見表2。

表 2 水性環(huán)氧樹脂性能測試

從結(jié)果分析可以看出，EP-1和EP-2的物理性能沒有差異，但是耐鹽霧性指標(biāo)方面EP-1明顯優(yōu)于EP-2。通過查閱資料發(fā)現(xiàn)EP-1和EP-2的氯離子含量和粒徑均接近，但是制備工藝不同，分別采用化學(xué)改性法和機械法制成。機械法制備的水性環(huán)氧樹脂通常為了保證樹脂的穩(wěn)定性，加入的乳化劑量要超過化學(xué)改性法制備的水性環(huán)氧樹脂50%以上。乳化劑會影響環(huán)氧樹脂中的單官能團，使環(huán)氧樹脂分散在水中，同時也會影響環(huán)氧樹脂的交聯(lián)密度，造成涂膜缺陷，使底漆的耐鹽霧性變差。最終選擇了EP-1樹脂作為軌道交通用水性環(huán)氧底漆的成膜物。

水性環(huán)氧固化劑的選擇

軌道交通車輛用防銹底漆對耐鹽霧性要求較高。通過幾十微米的高聚物涂膜對水、氧和離子的阻止和隔斷從而起到防銹效果。在這個耐腐蝕的過程中涂膜的交聯(lián)密度、防腐性、與膩子的配套性受固化劑影響極大。在水性環(huán)氧固化劑的選擇上，本研究選擇了防腐性能優(yōu)異、機械性能好的兩種固化劑進(jìn)行比較，分別是聚酰胺固化劑EH-1和混合胺固化劑EH-2，并配合底漆進(jìn)行了適用期、防腐性和配套性測試，結(jié)果見表3。

表3涂膜受固化劑影響及與膩子配套性測試

a：X-切割實驗是檢驗帶有膩子層的涂層配套層間配套的一種方式。

從結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，聚酰胺固化劑EH-1相較混合胺固化劑EH-2的適用期較長，但是耐鹽霧性、X-切割實驗、附著力要更差。原因是EH-1固化劑雖然適用期更長，但是也說明固化劑與樹脂的反應(yīng)速度更慢，在要求的時間內(nèi)無法達(dá)到更高的交聯(lián)密度，對鹽霧的侵蝕和膩子中的苯乙烯抗?jié)B透性差，性能不如EH-2固化劑。EH-2固化劑與防銹底漆復(fù)配后性能測試均合格，4 h的適用期完全滿足實際的施工現(xiàn)場涂裝要求。所以選擇混合胺固化劑EH-2作為水性環(huán)氧底漆固化劑。

2.2 水性聚氨酯中涂漆

軌道交通車輛用中涂漆作為一個承上啟下的涂層，對機械性能要求較高，且在實際施工過程中為了配合后道涂層的施工，要求24 h可打磨。通常涂料配方工程師會在設(shè)計配方時將中涂漆的填料調(diào)整得稍高，這種顏填料含量較高的涂料，其漆膜打磨性更好。在涂料配方中，樹脂和顏填料之間的比例關(guān)系是涂料配方設(shè)計的關(guān)鍵因素之一。顏料體積濃度對涂膜的影響包括性能和狀態(tài)等多個方面。

顏料體積濃度越高，涂料中的樹脂比例越低，通常干燥性越高。但是隨著顏料體積濃度的增高，涂料的穩(wěn)定性和漆膜性能也會變差，需要測試合適的顏料體積濃度來平衡漆膜性能與干燥性之間關(guān)系。

水性聚氨酯中涂漆較溶劑型聚氨酯中涂漆性能幾乎沒有差別，除了要保證涂料的性能外，還有較短時間內(nèi)的打磨性要求。通常來說顏基比在涂料中的影響是多樣性的，鑒于中涂漆需要的性能主要集中在機械性能、涂膜干燥及貯存穩(wěn)定性方面。在雙組分水性聚氨酯涂料中顏基比越低代表樹脂的含量越大，反之則樹脂含量越低。一般顏基比越大，涂料中顏填料貯存穩(wěn)定性越差。在此針對水性聚氨酯中涂漆的顏料體積濃度不同對適用期、干燥、打磨性和貯存穩(wěn)定性的影響進(jìn)行測試，結(jié)果見表4。

表 4 顏基比對水性聚氨酯中涂漆的影響

a 可打磨時間為氣動打磨不粘砂紙為準(zhǔn)

分析結(jié)果可以看出，隨著涂料顏料體積濃度的增高，涂膜的最短可打磨性時間有明顯地縮短。當(dāng)顏料體積濃度達(dá)到60%時，可打磨時間達(dá)到24 h，并且當(dāng)顏料體積濃度進(jìn)一步提高時，可打磨時間進(jìn)一步縮短。中涂漆的貯存穩(wěn)定性、涂膜性能也能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。所以將中涂漆的顏料體積濃度設(shè)計在60%是最佳的配方設(shè)計方案。

2.3 水性聚氨酯面漆

水性聚氨酯面漆是由水性羥基丙烯酸樹脂和多異氰酸酯兩部分組成，兩者反應(yīng)生成的聚氨酯高聚物涂層含有相當(dāng)數(shù)量的氨基甲酸酯鍵，具備極佳的耐候性和耐化學(xué)品性。不同羥基含量的樹脂和不同種類的多異氰酸酯反應(yīng)生成的聚氨酯涂層性能也各有不同，在此主要對水性羥基丙烯酸樹脂進(jìn)行篩選。

通常為了保障聚氨酯涂層的機械性能、耐化學(xué)品性和耐候性，要挑選羥基含量高的水性羥基丙烯酸樹脂，因為更多的羥基可與多異氰酸酯反應(yīng)，生成更多的氨酯鍵，交聯(lián)密度更高。本文選擇了PU-1和PU-2兩個水性羥基聚氨酯樹脂，羥基含量分別為4.2%和3.8%。按照基礎(chǔ)配方制漆的PU-1#和PU-2#，分別與多異氰酸酯固化劑進(jìn)行復(fù)配，測試涂膜機械性能和耐化學(xué)品性，結(jié)果見表5；耐候性見圖1、圖2。

表 5 不同羥基含量的樹脂對涂膜性能的影響

圖 1 漆膜在耐人工氣候加速試驗中的失光率

圖 2 漆膜在耐人工氣候加速試驗中的色差變化

從結(jié)果可以看出，使用羥基含量更高的PU-1樹脂制備的PU-1#涂料制成的漆膜相比PU-2#機械性能、耐化學(xué)品性更好，并且涂膜在耐人工氣候加速實驗下的涂膜失光率和色差變化更低。這驗證了上文中的想法，羥基可與多異氰酸酯反應(yīng)，生成的氨酯鍵越多，交聯(lián)密度更高，對涂層的耐水性和耐液體介質(zhì)性均有所提高，同時耐人工氣候老化也更好。所以最終選擇PU-1樹脂作為水性丙烯酸聚氨酯面漆的成膜物質(zhì)。

2.4 軌道客車用水性涂料檢測

軌道客車用水性涂料性能測試結(jié)果如表6所示。

表 6 軌道客車用水性涂料性能測試結(jié)果

以上設(shè)計的3種水性涂料經(jīng)檢驗，符合Q/CR581—2017鐵路客車用涂料技術(shù)條件的各項要求。

3結(jié)語

（1）經(jīng)檢測，制備的水性環(huán)氧底漆、水性聚氨酯中涂漆、水性聚氨酯面漆的各項物理性能、耐性等性能優(yōu)異，均可滿足Q/CR581—2017鐵路客車用涂料技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）底漆、膩子、中涂漆、面漆的配套性良好，配套性能佳，可提供滿足軌道交通行業(yè)鐵路客車用漆標(biāo)準(zhǔn)的涂層配套體系，為軌道交通行業(yè)車輛用漆的水性化進(jìn)程提供了技術(shù)支持與實踐基礎(chǔ)。

（3）水性涂料污染小、對人體危害小，從環(huán)境保護(hù)與職業(yè)健康安全角度考慮，應(yīng)盡快完成軌道交通行業(yè)用漆“油轉(zhuǎn)水”的變革，推動符合Q/CR581—2017標(biāo)準(zhǔn)的鐵路客車用水性涂料在實際生產(chǎn)中的施工與應(yīng)用，順應(yīng)發(fā)展節(jié)能、環(huán)境友好、低碳新材料的發(fā)展趨勢。