軌道交通車輛用水性聚氨酯面漆的制備與應用

摘要：通過成膜物質的篩選、n（-NCO）:n（-OH）配比、顏基比以及分散劑、消泡劑、流平劑和基材潤濕劑的研究，制備出軌道交通車輛用水性聚氨酯面漆。得到的涂膜性能：光澤度（60°）≥93%、光澤度（20°）≥80%；擺桿硬度≥0.60；耐沖擊性≥50kg·cm；耐人工老化2000h≤1級。滿足軌道交通行業(yè)需求，環(huán)境友好，可以替代現有傳統(tǒng)溶劑型涂料。

關鍵詞：軌道交通；水性涂料；聚氨酯面漆

中圖分類號：TQ630.7⁺9       文獻標識碼：A       文章編號：1006-2556(2021)11-0022-06

DOI:10.13531/j.cnki.china.coatings.2021.11.005

0 前言

隨著國家經濟快速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，軌道交通已經進入快速發(fā)展階段。2020年末累計投運里程將達到7000km，2020年國內城際總里程將達到15000km以上，城鐵和城際車輛總需求超過32000輛。快速發(fā)展的同時，人們對軌道交通車輛的安全性和外觀提出更高的要求。軌道交通的快速增長將會驅動為其提供保護和裝飾涂料等產業(yè)鏈的發(fā)展，所用涂料和涂裝技術也是工業(yè)涂料中技術要求.高的種類。

我國幅員遼闊，鐵路線網四通八達，車輛運行環(huán)境復雜多變，條件非常惡劣。要求車輛外表面涂層具有較高的裝飾性之外，還需要較高的耐沖擊性、耐化學品性、耐人工老化性等。聚氨酯涂料因其外觀光滑、豐滿度高、硬度高、耐候性好、涂膜耐化學品性好等優(yōu)點，主要作為面漆使用，應用于車輛面漆。目前車用涂料主要包括UV型、溶劑型、高固體分型和水性車用涂料，我國大部分都還在使用溶劑型涂料。傳統(tǒng)溶劑型涂料的VOC排放會對環(huán)境等造成一定影響。隨著國家環(huán)保政策越來越嚴苛，涂料的水性化及環(huán)境友好性已是大勢所趨。

據民生證券統(tǒng)計，目前各地方“一帶一路”擬建、在建基礎設施規(guī)模已經達到1.04萬億元，跨國投資規(guī)模約524億美元。軌道交通領域的投資總額占68.8%，其中鐵路投資近5000億元。軌道交通市場的急劇攀升，為車用涂料帶來了巨大商機。

本實驗從成膜物質的篩選、n（-NCO）:n（-OH）配比、顏基比以及分散劑、消泡劑、流平劑和基材潤濕劑的優(yōu)選等方面提供方案，解決水性涂料性能差的問題，制備出的水性聚氨酯面漆滿足軌道交通行業(yè)需求，環(huán)境友好，可以替代現有的溶劑型涂料。

1 實驗部分

1.1 原材料與儀器設備（見表1）

表1 原材料與儀器設備

1.2 實驗方法

1.2.1 參考配方（見表2、表3）

表2 水性色漿配方

表3 水性聚氨酯面漆配方

1.2.2 水性色漿的制備

將去離子水和分散劑加入分散罐中，低速（500r/min）分散3-5min；在攪拌下，依次加入消泡劑、水性增稠劑（每種助劑間隔3-5min），攪拌下加入金紅石型鈦白粉900r/min攪拌10-20min，細度研磨至合格10um以下，得到水性色漿。

1.2.3 水性聚氨酯面漆的制備

將水性羥基丙烯酸樹脂加入調漆釜中，300r/min攪拌均勻，攪拌中慢慢加入水性色漿。在500r/min攪拌下，緩慢加入去離子水、二乙二醇丁醚、二丙二醇丁醚、水性消泡劑、水性基材潤濕劑和水性流平劑（每種助劑間隔3-5min），在攪拌下緩慢加入水性增稠劑，500r/min攪拌10-15min。調節(jié)黏度，待各項檢驗項目合格后，用振動篩120目網過濾裝桶得到水性丙烯酸聚氨酯面漆。

1.2.4 水性聚氨酯面漆涂膜的制備

將水性聚氨酯面漆和水性異氰酸酯固化劑按照規(guī)定配比調漆，加去離子水稀釋，參照表4規(guī)定制備樣板進行測試。

表4 樣板制備要求

1.3 性能測試

劃格試驗按GB/T9286執(zhí)行；細度試驗按GB/T1724執(zhí)行；干燥時間試驗：表干按GB/T1728-1979中乙法執(zhí)行，實干按GB/T1728-1979中丙法執(zhí)行；鉛筆硬度按GB/T6739執(zhí)行；柔韌性試驗按GB/T1731執(zhí)行；耐沖擊強度試驗按GB/T1732執(zhí)行；耐水性試驗按GB/T1733執(zhí)行；耐酸性試驗按GB/T9274；耐堿性試驗按GB/T9274執(zhí)行；耐鹽霧性試驗按GB/T1771執(zhí)行；耐人工加速老化試驗按GB/T1865執(zhí)行。

2 結果與討論

2.1羥基含量對含羥基丙烯酸乳液性能的影響

丙烯酸樹脂本身具有良好的性能，耐候性優(yōu)良，干燥快，具有較聚氨酯樹脂好的保光性，因為它不吸收300nm以上的紫外光及可見光，其主鏈的碳-碳鍵耐水解，從而與異氰酸酯固化劑交聯(lián)后得到的涂膜性能也較優(yōu)異。含羥基的丙烯酸樹脂與異氰酸酯固化交聯(lián)得到的涂膜，比單純的丙烯酸樹脂交聯(lián)密度大，從而極大地改善了涂料的耐化學介質的性能，而且機械性能也得到提高。

本研究篩選4種不同羥基含量的丙烯酸樹脂A、B、C、D制成清漆，并對清漆性能進行研究，結果見表5。

表5 4種含羥基丙烯酸樹脂涂料的性能指標

從表5中可以看出樹脂中羥基含量對涂料性能影響很大：羥基含量越多，鉛筆硬度、光澤度、耐化學性能和耐人工老化越好；耐沖擊性能和劃格試驗隨羥基含量增加呈拋物線狀態(tài)。主要因為羥基含量越高，與固化劑反應成膜后交聯(lián)連密度越大，涂膜的脆性隨之增加。涂膜脆性達到一定程度后，造成耐沖擊和劃格試驗性能下降。軌道交通車輛高速運行過程中需要涂膜不僅具有一定的硬度，同時需要涂膜具有相當的抗沖擊性能，因此，選擇性能均衡的樹脂C進行以下實驗。

2.2 n(-NCO):n(-OH)對涂膜性能的影響

本研究選用市面上常用的聚醚改性的疏水型HDI三聚體水性異氰酸酯固化劑。該類型固化劑具有黏度低、無泡沫厚高、耐化學品性能好等優(yōu)點。實驗測試不同n(-NCO):n(-OH)的清漆性能指標，結果如表6所示。

表6 n(-NCO):n(-OH)對清漆性能的影響

由表6可以看出，n(-NCO):n(-OH)值在1.5-1.8涂膜性能.佳，主要是因為在此范圍內-NCO與-OH反應.充分。理論上n(-NCO):n(-OH)=1時-NCO與-OH反應完全，但是水性涂料存在大量的水會與-NCO發(fā)生副反應，消耗一定量的-NCO，使得-NCO不能與-OH完全反應，導致交聯(lián)密度較小，涂膜性能差。當n(-NCO):n(-OH)＞1.8時，過高的-NCO與水發(fā)生更多的副反應，生成低交聯(lián)度的脲，該物質與聚氨酯混合成的涂膜，導致涂膜性能變差。

2.3 顏基比對涂膜性能的影響

顏填料涂料配方中的占比僅次于成膜物質，因此對涂料的生產、涂裝和性能都有直接的影響。特別是水性涂料的表面張力較大，對顏填料的潤濕更加困難，在無法對顏填料完全包覆的情況下，將使涂膜性能變差。所以相比于溶劑型涂料，水性涂料中顏基比對涂膜性能的影響會更大，結果如表7所示。

表7 顏基比對涂膜性能的影響

由表7可以看出，涂膜性能從顏基比為0.8時開始變差。其原因是隨著顏填料含量的增加，成膜物質無法將其完全潤濕包裹，致使涂膜結構不完整，產生內部缺陷，涂膜性能下降。

2.4 增稠劑的選擇和確定

常規(guī)水性羥基丙烯酸樹脂固含量在45%左右，配方中還需要加入大量水和成膜助劑，造成涂料黏度過低，所以需要增稠劑來抵抗高密度顏填料的沉降。常用增稠劑有堿溶脹型、纖維素型和聚氨酯型。其中堿溶脹型和纖維素型需要體系的pH值在堿性條件下才能發(fā)揮增稠作用。聚氨酯型增稠劑不受體系pH值的限制，生產過程使用方便，還有改善留平的效果，因此選擇此類增稠劑提高涂料黏度，對性能影響如表8所示。

表8 增稠劑對涂膜性能的影響

本研究選用增稠劑A和增稠劑B兩種聚氨酯型增稠劑，相比于未添加組分，添加增稠劑后涂膜抗流掛性能和防沉性能都有很大提升，相同添加量情況下，兩種增稠劑性能相差不多。但是增稠劑B增稠效果更好，導致施工前需要添加更多的水進行稀釋，這樣不僅影響涂料的成膜效率，更會增加與-NCO發(fā)生副反應的幾率。所以選擇增稠劑A作為本研究增稠劑。

2.5 流平劑的選擇和確定

濕膜狀態(tài)下涂料的流動是由表面張力和重力作用所引起。水性涂料整體表面張力梯度差較大，造成涂料內部流動性不均勻，形成各種涂膜弊病。流平劑可以降低涂層的表面張力或者消除表面梯度，控制涂層流動性，改善涂膜流平效果。

本研究選擇丙烯酸脂類和有機硅類兩種不同類型的流平劑，并考察不同添加量對涂膜性能的影響，結果如表9所示。

表9 流平劑不同類型及添加量對涂膜性能的影響

從表9中可以看出，丙烯酸脂類流平劑添加量0.3%（質量分數，后同）時，即可得到滿足要求的流平好、光澤高的涂膜。添加量達到0.7%時，流平性能不受影響，光澤有所降低。主要因為大量的表面活性劑在涂膜表面堆積，產生霧影，影響光澤度。有機硅類流平劑添加量達到0.7%時，才能得到滿足要求的涂膜。因此，選擇丙烯酸酯類流平劑，添加量為0.3%。

2.3 基材潤濕劑的選擇和確定

水性涂料以水作為主要分散介質，水的表面張力達到75×10^-5N，是常規(guī)有機溶劑[(20～40)×10^-5N]的2～3倍，因此造成水性涂料整體表面張力較高，對基材的潤濕困難。為了避免潤濕不良產生的缺陷，需要添加基材潤濕劑，改善水性涂料的表面張力，消除水性涂料與基材之間的表面張力差。

本研究選擇兩款有機硅基材潤濕劑A和B，并考察不同添加量對涂膜性能的影響，見表10。

表10 基材潤濕劑對涂膜性能的影響

從表10可以看出，基材潤濕劑A添加量為0.1%（質量分數，后同）時，即可有效改善涂料對底材的潤濕，消除縮孔弊病?；臐櫇駝?/span>B需要添加到0.2%時才能達到相同的潤濕效果，但是，有輕微暗泡存在，說明基材潤濕劑B的穩(wěn)泡效果更強。因此，選擇基材潤濕劑A添加量為0.1%。

2.7 消泡劑的選擇和確定

涂料在生產過程中需要經過分散和研磨等一系列高剪切作用，以及使用過程中刷涂、輥涂、噴涂等施工方式都會引入空氣，產生泡沫。另外，水性涂料中使用大量表面活性劑，具有很強的穩(wěn)泡作用，所以必須使用消泡劑才能滿足生產施工的要求。

本研究選用兩款有機硅消泡劑A和B分別加入100g涂料中，使用相同的分散設備，2000r/min條件下分散10min后，淋涂到清潔干凈的玻璃板上，觀察起泡現象。表干10min后再次觀察涂膜起泡現象，結果見表11。

表11 消泡劑對涂膜性能的影響

從表11可以看出，高速分散后，消泡劑A具有更好的抑泡能力，而在成膜過程中消泡劑B具有更好的消泡能力。兩者復配使用時，不僅可以抑制高速分散后產生的大量氣泡，成膜過程中的消泡能力更好，并且不會產生縮孔。因此，選擇兩款消泡劑復配使用，將0.1%（質量分數，后同）的消泡劑A添加在色漿制備過程中，利用其抑泡能力抑制研磨時中產生的氣泡；在面漆制備過程中補加0.1%的消泡劑B，利用消泡劑A和消泡劑B共同作用消除生產和使用過程中產生的氣泡。

2.8 涂膜性能

通過對丙烯酸樹脂中羥基含量、n(-NCO):n(-OH)配比、顏基比以及各種助劑的篩選，得到.優(yōu)方案的組合。按照1.2.4中要求制板、養(yǎng)護后進行涂膜性能指標測試，.終涂膜性能見表12。

表12 涂膜綜合性能

3 結語

通過對水性聚氨酯面漆的實驗研究證明：丙烯酸樹脂羥基含量為4.2%（質量分數，后同）時得到的涂膜光澤高、耐老化性能好；n(-NCO):n(-OH)比值為1.5、顏基比為0.8時，即可得到綜合性能較好的涂膜；分析比較了增稠劑A添加2%時，抗流掛和增稠效果.佳；丙烯酸酯類流平劑添加量為0.3%時，流平效果和光澤度.好；選擇基材潤濕劑A添加量為0.1%時，涂膜的基材潤濕效果.好；選用消泡劑A和B復配使用，0.1%的消泡劑A添加到色漿生產過程中，0.1%的消泡劑B添加到涂料的生產該過程中，消泡效果.佳。本研究制得的水性聚氨酯面漆：光澤度（60°）≥93%、光澤度（20°）≥80%；擺桿硬度≥0.60；耐沖擊性≥50kg·cm；耐人工老化2000h≤1級。該面漆可完全替代溶劑型產品，應用于軌道交通車輛面漆涂層。