高速动车组车辆用中、面配套涂料的研制

摘要： 介绍了高速动车组车辆用中、面配套涂料的配方组成、生产工艺、产品性能。中、面漆由聚酯改性丙烯酸树脂与聚异氰酸酯固化剂组成成膜物质，以钛白粉、热反射粉、陶瓷微珠、沉淀硫酸钡、绢云母、滑石粉等为颜填料，以纳米SiO2为改性材料，在多种功能助剂及低毒溶剂的配合下精制而成。涂膜具有优异的附着力、抗冲击性、隔热性及高装饰性。

关键词：聚氨酯涂料； 抗石击； 隔热； 低毒性

0　引言

　　随着我国国民经济持续稳定地较快发展，轨道交通建设速度也在加快，高速动车组车辆的制造和装配工业也在蓬勃发展。为了减轻车厢的自重，车厢材质也由原来的碳钢改为铝合金，因其表面能较低，所以对涂料的品种及性能提出了更高要求。由于列车的行驶速度快、行车路线长、跨越地域广、遭遇各种恶劣气候环境的几率高，除了常年遭受冷热变化、风雨雪霜侵袭以外，还经常遭到风沙冲击腐蚀、卷起的碎石撞击、沿海盐雾的腐蚀、隧道进出口强大风压差的冲击，因此要求车厢外表面涂装保护层必须具有适应各种环境条件的优异性能。

　　目前，我国高速动车组车厢涂装，大都采用溶剂型涂料体系：环氧防腐底漆+不饱和聚酯腻子+聚氨酯中涂+聚氨酯面漆[1]。由于常用的环氧底漆和不饱和聚酯腻子刚性强、柔性低，当车厢热胀冷缩、行驶震动或遭受砂石冲击时，常造成涂层裂纹，最终导致整个涂层剥离；中涂和面漆涂膜因弹性差、变形能力小、断裂功低，所以抗风沙冲击磨蚀性差，常造成涂膜表面斑驳坑洼；另外大量苯类溶剂的使用，也会对生产和施工人员的身体健康造成较大危害。

　　本研究对铝合金车厢外表面涂装体系采用：柔性环氧防腐底漆+柔性不饱和聚酯腻子+弹性聚氨酯中涂漆+弹性聚氨酯面漆。涂层具有优异的附着力、抗冲击性、柔韧性、抗砂石冲磨性、耐化学品性、耐候耐沾污性、隔热性及高装饰性。溶剂体系使用了无苯低毒溶剂，中、面配套涂料具有低毒环保性。本文重点介绍了聚氨酯中涂漆、面涂漆的试验内容及结果讨论。

1　试验部分

1.1　原材料

　　羟基丙烯酸树脂、聚酯树脂、聚酯改性丙烯酸树脂，进口；异氰酸酯固化剂N75、N3390，拜耳；分散剂、消泡剂、流平剂、改性聚乙烯蜡，毕克；硅烷偶联剂，南京曙光；消光粉，德固赛；防流挂剂，瓦克；吸水剂，坚毅；催干剂，空气；紫外线吸收剂，汽巴精化；金红石型钛白粉，杜邦；热反射粉，羽唐；纳米SiＯ2，海泰；陶瓷微珠，3M；沉淀硫酸钡、绢云母、滑石粉，市售；醋酸丁酯、丙二醇甲醚醋酸酯，市售；色浆，自制。

1.2　参考配方

　　高速动车组车辆用涂料中涂、面漆的参考配方见表1。

1.3　生产工艺

　　1）纳米SiＯ2浆料制备：将适量树脂及溶剂混合均匀，加入硅烷偶联剂KH-560和纳米SiＯ2，高速分散并研磨，或超声波震荡30 min，制备成纳米SiＯ2浆料。

　　2）色浆的制备：将30% ~ 50%的溶剂加入分散缸内，搅拌中加入分散剂、消泡剂、增稠剂，再加入35% ~ 60%的着色颜料，高速分散并研磨至细度合格，制备成色浆。

　　3）涂料A组分的制备：将树脂及醋酸丁酯加入分散釜内，中速搅拌下加入分散剂、颜填料（陶瓷微珠除外），纳米SiＯ2浆料、防流挂剂、流平剂、吸水剂、偶联剂，高速分散30 min，经砂磨机研磨细度至30 μm成浆料。把研磨浆料打入调漆缸，高速搅拌下加入丙二醇甲醚醋酸酯、陶瓷微珠、消光粉、改性聚乙烯蜡、紫外线吸收剂、催干剂、消泡剂等，分散20 min，再低速搅拌10 min，过滤出料。

　　B组分：异氰酸酯固化剂单独包装。

1.4　性能检测方法

　　制备的高速动车组车辆用中涂、。

　　1）制样板：铝合金试板基材处理，涂柔性环氧防腐底漆，干膜厚度30 ~ 40 μm，涂聚氨酯中涂漆，干膜厚度70 ~ 80 μm，再涂聚氨酯面漆，干膜厚度40 ~ 50 μm，干膜总厚度＞150 μm。

　　2）中涂漆按TB/T 2393—2001《铁路机车车辆用面漆》附录A标准进行检测，共10项；

　　3）面漆按TB/T 2393—2001《铁路机车车辆用面漆》标准进行检测，共18项；

　　4）抗石击性采用喷砂试验方法：将试板（底、中、面膜厚150 ~ 180 μm）放进喷砂机中，喷砂压力为0.6 MPa，河砂粒径0.5 ~ 1.0 mm，喷砂时间10 min，观察涂膜表面，无明显损伤，无脱落。

　　6）光学性能和隔热性能按GB/T 25261—2010《建筑用反射隔热涂料》标准进行检测。

2　结果与讨论

2.1　树脂的选择

　　树脂是涂料的成膜物质，树脂的性能是影响涂料性能优劣的关键因素。双组分聚氨酯涂料广泛应用于轨道车辆、汽车等外表面涂装，其主体树脂常用羟基丙烯酸树脂或饱和聚酯树脂，配以异氰酸酯固化剂交联成立体网络状结构涂膜。

　　1）羟基丙烯酸酯树脂的结构式为：

　　式中：R1为—H时，便于碳链的旋转，弹性好；R2为—CH3时不便于碳链的旋转，弹性差；—R2OH为长链时弹性好。从总体看，丙烯酸树脂有很好的干燥性、耐候性、硬度、附着力，但在柔韧性、抗冲击性、耐磨性方面较差。

　　2）聚酯树脂的结构式为：

　　式中单体HO—R1—OH选用不规整的、相对分子质量大的醇（如1，2-丙二醇取代乙二醇）制得的树脂弹性大，同时单体HOOC— R2—COOH采用长链脂肪酸取代短链脂肪酸也可提高弹性[2]。根据饱和聚酯的微观结构，可把聚酯分为直线型聚酯（A）、微支化聚酯（B）、支化聚酯（C）和高支化聚酯（D）4种，其性能比较见表2。

　　在弹性聚酯/聚氨酯涂料中，一般选用微支化型聚酯作主体树脂。但是该树脂在干燥性、硬度、耐候性、耐磨性及耐沾污性方面难以满足车辆涂装要求。为此，科研人员常用羟基丙烯酸树脂和聚酯树脂冷拼作为研发方向，但是这种冷拼结果势必造成某些性能兼顾不到。采用树脂合成方法，在丙烯酸树脂的主链结构中引入聚酯结构，合成聚酯改性丙烯酸树脂，其性能更全面、综合性能更优异。分别以羟基丙烯酸树脂（A）、聚酯树脂（B）、丙烯酸树脂冷拼聚酯树脂（C）、合成聚酯改性丙烯酸树脂（D）为主体树脂，以N3390为固化剂制备成4种面漆，检测其性能，结果见表3。

　　因此，合成的聚酯改性丙烯酸树脂是理想的选择。

2.2　固化剂的选择

　　固化剂采用拜耳公司的线型多异氰酸酯缩二脲HDI-N75和脂肪族聚异氰酸酯三聚体HDI-N3390。在基础配方中其他因素不变的条件下，分别用N75和N3390作固化剂配制面漆，检测其性能，结果见表4。

　　由表4可知，以N75配漆后，涂膜在表干、耐冲击性、附着力方面有明显优势；以N3390配漆后，涂膜在实干、一次成膜厚度、耐候性方面有明显优势。为了满足高速列车最终的综合性能，选用2种异氰酸酯固化剂复配，当n（—NCO） ∶ n（—OH）=1.1 ~ 1.2时，涂膜的附着力、抗冲击性、抗石击性、耐化学品性、耐候性等主要性能指标达到最优。

2.3　颜填料的选择

　　高速动车组车辆用面漆对颜填料的要求： 1）抗砂石冲击耐磨性好；2）对太阳热要有较高的反射率；3）具有耐化学腐蚀性；4）优异的耐候保色性。

2.3.1　白色颜料的选择

　　在基体树脂中添加适量的颜填料，可以防止漆膜病态，改善漆膜的综合性能和增加特种功效性。金红石型钛白粉是户外饰面涂料常用的白色颜料，具有遮盖力强、折光指数高（2.8）、太阳光反射系数大（≥80%）、耐候保色性好、耐化学品腐蚀等优点。为了调配不同颜色、不同色调的涂料，金红石型钛白粉的用量会受到限制，一般而言调配浅色涂料其用量为15%左右，调配中色涂料其用量为10%左右，调配深色涂料其用量为5%左右[3]。

2.3.2　着色颜料的选择

　　在配制彩色机车车辆用面漆时，为了提高涂膜对太阳光的隔热性能，需选择对太阳光热反射率高的着色颜料。通过大量试验发现，对太阳光热反射率较高的着色颜料是：绿色颜料中的酞箐绿，黄色颜料中的钛铬黄，蓝色颜料中的酞箐蓝，黑色颜料中的棕黑（由铁红+中黄+铁红复配）或薛特公司的颜料黑，红色颜料中的铁红。由反射率高的单色颜料复配成复色颜料，其反射率也高。

2.3.3　热反射粉的选择

　　太阳热反射涂料随着色相的逐渐加深，其涂膜对光热的反射率逐渐下降，吸热率增加。为了提高面漆涂膜的隔热性，必须选择一种能将吸收的太阳能以长波形式发射到大气空间去的红外辐射材料，热反射粉是以反射红外波原理加工成的高折射率白色颜料，是由近红外反射颜料、白色颜料、超细无机热红外线反射颜料组成的颜料体系。该颜料既有对太阳光的高反射功能，也有对吸收热的发射功能，同时还有弱导电性，对降低涂层的电荷积累有一定帮助。当添加量为该涂料总量的8% ~ 10%时，涂膜的光反射率达到80% ~ 87%，半球发射率达到82% ~ 89%。

2.3.4　陶瓷微珠选择

　　据舒尔兹研究[4]，不同形态的陶瓷粉作填料制备的涂料其涂层在柔韧性、附着力、耐冲击性、耐磨性方面，球形结构明显优于片状和不规则立体结构，尤其是耐磨方面，球形结构更为突出。陶瓷微珠，球形结构，银白色，光散射率80% ~ 88%，硬度高，耐磨损，耐腐蚀，耐沾污，流平好，对太阳热反射率高。超细陶瓷微珠分散在聚氨酯漆中，由于氨酯键可以形成氢键，陶瓷微珠吸收成膜物质而成为准交联点，与不规则立体结构无机填料相比，球形颗粒与聚氨酯固化物因氢键效应而结合得更牢固，形成的涂层附着力、抗冲击性、耐磨性等更优异。分布在涂膜表面的陶瓷微珠，在受到风沙冲击时，陶瓷微珠起滚珠润滑作用，对涂膜起保护作用；同时陶瓷微珠引发成膜物微裂纹，吸收和消释大量冲击能，减轻涂层进一步破损。

　　聚氨酯形成的氢键，在外力冲击下可分离而吸收外来的能量（20 ~ 25 kJ/mol），当外力除去后又可重新形成氢键，因此添加适量球形陶瓷微珠的聚氨酯漆膜具有高度机械耐磨性和柔韧性。

2.3.5　其他矿物填料的选择

　　在聚氨酯中涂漆配方中，颜填料除钛白粉外，还选择了超细沉淀硫酸钡、绢云母、超细滑石粉。添加硫酸钡可提高涂膜硬度；添加绢云母可提高涂膜的屏蔽性和抗裂性；添加滑石粉可提高涂膜抗裂性和可打磨性。

2.4　纳米SiＯ2对涂料的影响

　　纳米SiＯ2具有表面积大、表面能高、表面存在着不饱和键和不同状态的羟基，因缺氧而偏离了稳定的硅氧结构，因而具有很大的表面活性。纳米SiＯ2分散在涂料中，与树脂和溶剂发生界面反应，形成强大的互作用力，从而改善涂料的流变性和悬浮性；纳米细粒子填充于颜填料较粗粒子之间和颜填料与成膜物之间的空隙，形成强大的吸附中心，在涂膜表面产生键合，大大提高了涂膜的致密性、柔韧性、附着力、耐水、耐化学品性和抗石击性。纳米SiＯ2为无定型结构，具有极强的紫外线吸收、红外光反射性能，对波长小于4 μm的紫外光吸收率达80%以上，不但能显著降低由于紫外光照射而造成涂膜老化速度，提高耐候耐久性，而且由于对红外辐射性好，对大于800 nm的红外光反射率达70%以上，能将物体吸收的热能有效地发射出去，使物体降温。

　　纳米SiO2粒子表面具有亲水性，在涂膜表面能形成亲水性薄膜，使涂膜具有抗污自洁性；纳米SiO2粒子能与HDI三聚体反应，形成大于范德华力的作用力，引发微裂纹，提高对风沙冲击能量的吸收、释放率，降低涂膜受损率。

2.5　助剂的选择

　　在高速动车组车辆涂装体系中，面漆的性能尤为重要，除要求涂膜具有优异的物化性能外，还必须具有高装饰性。助剂是帮助面漆达到预期目标的重要因素。

　　为了使颜填料在涂料体系中分散均匀，选用了含有亲颜料基团的高分子嵌段共聚物分散剂BYK-161，该分散剂能使颜料带有同种电荷。通过空间屏蔽作用防止颜填料重新絮凝，提高颜填料的分散稳定性，增进涂膜光泽，促进流平。

　　为了消除涂料在生产和施工过程中产生的气泡，防止涂膜产生针孔，选择了聚硅氧烷类消泡剂BYK-141，这是一种破泡聚合物和聚硅氧烷的混合物，具有高效脱泡和消泡功能。

　　为了使聚氨酯面漆涂膜平整光滑、减少表面缺陷，选择了有机硅流平剂BYK-306，这是一种聚醚改性二甲基聚硅氧烷共聚物溶液，其能降低表面张力，提供更好的底材润湿性，增进涂膜表面滑爽性、抗划伤性、抗黏连性，促进流平和光泽，防止贝纳德旋涡，防止缩孔等。

　　为了实现厚膜施工、防止流挂，选用了增稠抗流挂剂，以纳米SiＯ2和疏水性气相二氧化硅配合使用，使面漆具有厚涂不流挂性。

　　水与异氰酸酯反应起催化作用，常使涂料的混合使用期缩短，添加适量的吸水剂BF-5（单官能团活性异氰酸酯化合物）是为了消除由于体系中的微量水分引起的涂膜缩孔、暗泡、针孔等。

2.6　溶剂的选用

　　为了实现高速动车组中、面漆的低毒环保性，混合溶剂选用了醋酸丁酯和丙二醇甲醚醋酸酯搭配。

3　产品性能

　　通过对高速动车组车辆用涂料的配方优化，将制备的聚氨酯中涂、面漆进行性能检测，结果见表5。

4　结语

　　1）高速动车组车辆用涂料涂装体系由柔性环氧防腐底漆+柔性不饱和聚酯腻子+弹性聚氨酯中涂漆+弹性聚氨酯面漆组成。

　　2）弹性聚氨酯中、面漆的基体树脂选用进口聚酯改性丙烯酸树脂，固化剂选用拜耳公司的HDI缩二脲N75和HDI三聚体N3390，按n（—NCO） ∶ n（—OH）=1.1 ~ 1.2配漆，涂层具有优异的附着力、柔韧性、耐冲击性、抗石击性、耐候性等。

　　3）颜填料选择金红石型钛白粉、热反射粉、陶瓷微珠、沉淀硫酸钡、绢云母和滑石粉等，涂膜除具有优异的物化性能外，还具有隔热节能性能。

　　4）弹性聚氨酯面漆通过纳米SiＯ2改性，可显著提高涂膜的综合物化性能，特别是耐紫外线老化性、光热反射隔热性、耐污自洁性提高显著。

详见《现代涂料与涂装》2015年第4期