轨道交通车辆用水性聚氨酯面漆的制备与应用

摘要：通过成膜物质的筛选、n（-NCO）:n（-OH）配比、颜基比以及分散剂、消泡剂、流平剂和基材润湿剂的研究，制备出轨道交通车辆用水性聚氨酯面漆。得到的涂膜性能：光泽度（60°）≥93%、光泽度（20°）≥80%；摆杆硬度≥0.60；耐冲击性≥50kg·cm；耐人工老化2000h≤1级。满足轨道交通行业需求，环境友好，可以替代现有传统溶剂型涂料。

关键词：轨道交通；水性涂料；聚氨酯面漆

中图分类号：TQ630.7⁺9       文献标识码：A       文章编号：1006-2556(2021)11-0022-06

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

0 前言

随着国家经济快速发展，人民生活水平不断提高，轨道交通已经进入快速发展阶段。2020年末累计投运里程将达到7000km，2020年国内城际总里程将达到15000km以上，城铁和城际车辆总需求超过32000辆。快速发展的同时，人们对轨道交通车辆的安全性和外观提出更高的要求。轨道交通的快速增长将会驱动为其提供保护和装饰涂料等产业链的发展，所用涂料和涂装技术也是工业涂料中技术要求.高的种类。

我国幅员辽阔，铁路线网四通八达，车辆运行环境复杂多变，条件非常恶劣。要求车辆外表面涂层具有较高的装饰性之外，还需要较高的耐冲击性、耐化学品性、耐人工老化性等。聚氨酯涂料因其外观光滑、丰满度高、硬度高、耐候性好、涂膜耐化学品性好等优点，主要作为面漆使用，应用于车辆面漆。目前车用涂料主要包括UV型、溶剂型、高固体分型和水性车用涂料，我国大部分都还在使用溶剂型涂料。传统溶剂型涂料的VOC排放会对环境等造成一定影响。随着国家环保政策越来越严苛，涂料的水性化及环境友好性已是大势所趋。

据民生证券统计，目前各地方“一带一路”拟建、在建基础设施规模已经达到1.04万亿元，跨国投资规模约524亿美元。轨道交通领域的投资总额占68.8%，其中铁路投资近5000亿元。轨道交通市场的急剧攀升，为车用涂料带来了巨大商机。

本实验从成膜物质的筛选、n（-NCO）:n（-OH）配比、颜基比以及分散剂、消泡剂、流平剂和基材润湿剂的优选等方面提供方案，解决水性涂料性能差的问题，制备出的水性聚氨酯面漆满足轨道交通行业需求，环境友好，可以替代现有的溶剂型涂料。

1 实验部分

1.1 原材料与仪器设备（见表1）

表1 原材料与仪器设备

1.2 实验方法

1.2.1 参考配方（见表2、表3）

表2 水性色浆配方

表3 水性聚氨酯面漆配方

1.2.2 水性色浆的制备

将去离子水和分散剂加入分散罐中，低速（500r/min）分散3-5min；在搅拌下，依次加入消泡剂、水性增稠剂（每种助剂间隔3-5min），搅拌下加入金红石型钛白粉900r/min搅拌10-20min，细度研磨至合格10um以下，得到水性色浆。

1.2.3 水性聚氨酯面漆的制备

将水性羟基丙烯酸树脂加入调漆釜中，300r/min搅拌均匀，搅拌中慢慢加入水性色浆。在500r/min搅拌下，缓慢加入去离子水、二乙二醇丁醚、二丙二醇丁醚、水性消泡剂、水性基材润湿剂和水性流平剂（每种助剂间隔3-5min），在搅拌下缓慢加入水性增稠剂，500r/min搅拌10-15min。调节黏度，待各项检验项目合格后，用振动筛120目网过滤装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备

将水性聚氨酯面漆和水性异氰酸酯固化剂按照规定配比调漆，加去离子水稀释，参照表4规定制备样板进行测试。

表4 样板制备要求

1.3 性能测试

划格试验按GB/T9286执行；细度试验按GB/T1724执行；干燥时间试验：表干按GB/T1728-1979中乙法执行，实干按GB/T1728-1979中丙法执行；铅笔硬度按GB/T6739执行；柔韧性试验按GB/T1731执行；耐冲击强度试验按GB/T1732执行；耐水性试验按GB/T1733执行；耐酸性试验按GB/T9274；耐碱性试验按GB/T9274执行；耐盐雾性试验按GB/T1771执行；耐人工加速老化试验按GB/T1865执行。

2 结果与讨论

2.1羟基含量对含羟基丙烯酸乳液性能的影响

丙烯酸树脂本身具有良好的性能，耐候性优良，干燥快，具有较聚氨酯树脂好的保光性，因为它不吸收300nm以上的紫外光及可见光，其主链的碳-碳键耐水解，从而与异氰酸酯固化剂交联后得到的涂膜性能也较优异。含羟基的丙烯酸树脂与异氰酸酯固化交联得到的涂膜，比单纯的丙烯酸树脂交联密度大，从而极大地改善了涂料的耐化学介质的性能，而且机械性能也得到提高。

本研究筛选4种不同羟基含量的丙烯酸树脂A、B、C、D制成清漆，并对清漆性能进行研究，结果见表5。

表5 4种含羟基丙烯酸树脂涂料的性能指标

从表5中可以看出树脂中羟基含量对涂料性能影响很大：羟基含量越多，铅笔硬度、光泽度、耐化学性能和耐人工老化越好；耐冲击性能和划格试验随羟基含量增加呈抛物线状态。主要因为羟基含量越高，与固化剂反应成膜后交联连密度越大，涂膜的脆性随之增加。涂膜脆性达到一定程度后，造成耐冲击和划格试验性能下降。轨道交通车辆高速运行过程中需要涂膜不仅具有一定的硬度，同时需要涂膜具有相当的抗冲击性能，因此，选择性能均衡的树脂C进行以下实验。

2.2 n(-NCO):n(-OH)对涂膜性能的影响

本研究选用市面上常用的聚醚改性的疏水型HDI三聚体水性异氰酸酯固化剂。该类型固化剂具有黏度低、无泡沫厚高、耐化学品性能好等优点。实验测试不同n(-NCO):n(-OH)的清漆性能指标，结果如表6所示。

表6 n(-NCO):n(-OH)对清漆性能的影响

由表6可以看出，n(-NCO):n(-OH)值在1.5-1.8涂膜性能.佳，主要是因为在此范围内-NCO与-OH反应.充分。理论上n(-NCO):n(-OH)=1时-NCO与-OH反应完全，但是水性涂料存在大量的水会与-NCO发生副反应，消耗一定量的-NCO，使得-NCO不能与-OH完全反应，导致交联密度较小，涂膜性能差。当n(-NCO):n(-OH)＞1.8时，过高的-NCO与水发生更多的副反应，生成低交联度的脲，该物质与聚氨酯混合成的涂膜，导致涂膜性能变差。

2.3 颜基比对涂膜性能的影响

颜填料涂料配方中的占比仅次于成膜物质，因此对涂料的生产、涂装和性能都有直接的影响。特别是水性涂料的表面张力较大，对颜填料的润湿更加困难，在无法对颜填料完全包覆的情况下，将使涂膜性能变差。所以相比于溶剂型涂料，水性涂料中颜基比对涂膜性能的影响会更大，结果如表7所示。

表7 颜基比对涂膜性能的影响

由表7可以看出，涂膜性能从颜基比为0.8时开始变差。其原因是随着颜填料含量的增加，成膜物质无法将其完全润湿包裹，致使涂膜结构不完整，产生内部缺陷，涂膜性能下降。

2.4 增稠剂的选择和确定

常规水性羟基丙烯酸树脂固含量在45%左右，配方中还需要加入大量水和成膜助剂，造成涂料黏度过低，所以需要增稠剂来抵抗高密度颜填料的沉降。常用增稠剂有碱溶胀型、纤维素型和聚氨酯型。其中碱溶胀型和纤维素型需要体系的pH值在碱性条件下才能发挥增稠作用。聚氨酯型增稠剂不受体系pH值的限制，生产过程使用方便，还有改善留平的效果，因此选择此类增稠剂提高涂料黏度，对性能影响如表8所示。

表8 增稠剂对涂膜性能的影响

本研究选用增稠剂A和增稠剂B两种聚氨酯型增稠剂，相比于未添加组分，添加增稠剂后涂膜抗流挂性能和防沉性能都有很大提升，相同添加量情况下，两种增稠剂性能相差不多。但是增稠剂B增稠效果更好，导致施工前需要添加更多的水进行稀释，这样不仅影响涂料的成膜效率，更会增加与-NCO发生副反应的几率。所以选择增稠剂A作为本研究增稠剂。

2.5 流平剂的选择和确定

湿膜状态下涂料的流动是由表面张力和重力作用所引起。水性涂料整体表面张力梯度差较大，造成涂料内部流动性不均匀，形成各种涂膜弊病。流平剂可以降低涂层的表面张力或者消除表面梯度，控制涂层流动性，改善涂膜流平效果。

本研究选择丙烯酸脂类和有机硅类两种不同类型的流平剂，并考察不同添加量对涂膜性能的影响，结果如表9所示。

表9 流平剂不同类型及添加量对涂膜性能的影响

从表9中可以看出，丙烯酸脂类流平剂添加量0.3%（质量分数，后同）时，即可得到满足要求的流平好、光泽高的涂膜。添加量达到0.7%时，流平性能不受影响，光泽有所降低。主要因为大量的表面活性剂在涂膜表面堆积，产生雾影，影响光泽度。有机硅类流平剂添加量达到0.7%时，才能得到满足要求的涂膜。因此，选择丙烯酸酯类流平剂，添加量为0.3%。

2.3 基材润湿剂的选择和确定

水性涂料以水作为主要分散介质，水的表面张力达到75×10^-5N，是常规有机溶剂[(20～40)×10^-5N]的2～3倍，因此造成水性涂料整体表面张力较高，对基材的润湿困难。为了避免润湿不良产生的缺陷，需要添加基材润湿剂，改善水性涂料的表面张力，消除水性涂料与基材之间的表面张力差。

本研究选择两款有机硅基材润湿剂A和B，并考察不同添加量对涂膜性能的影响，见表10。

表10 基材润湿剂对涂膜性能的影响

从表10可以看出，基材润湿剂A添加量为0.1%（质量分数，后同）时，即可有效改善涂料对底材的润湿，消除缩孔弊病。基材润湿剂B需要添加到0.2%时才能达到相同的润湿效果，但是，有轻微暗泡存在，说明基材润湿剂B的稳泡效果更强。因此，选择基材润湿剂A添加量为0.1%。

2.7 消泡剂的选择和确定

涂料在生产过程中需要经过分散和研磨等一系列高剪切作用，以及使用过程中刷涂、辊涂、喷涂等施工方式都会引入空气，产生泡沫。另外，水性涂料中使用大量表面活性剂，具有很强的稳泡作用，所以必须使用消泡剂才能满足生产施工的要求。

本研究选用两款有机硅消泡剂A和B分别加入100g涂料中，使用相同的分散设备，2000r/min条件下分散10min后，淋涂到清洁干净的玻璃板上，观察起泡现象。表干10min后再次观察涂膜起泡现象，结果见表11。

表11 消泡剂对涂膜性能的影响

从表11可以看出，高速分散后，消泡剂A具有更好的抑泡能力，而在成膜过程中消泡剂B具有更好的消泡能力。两者复配使用时，不仅可以抑制高速分散后产生的大量气泡，成膜过程中的消泡能力更好，并且不会产生缩孔。因此，选择两款消泡剂复配使用，将0.1%（质量分数，后同）的消泡剂A添加在色浆制备过程中，利用其抑泡能力抑制研磨时中产生的气泡；在面漆制备过程中补加0.1%的消泡剂B，利用消泡剂A和消泡剂B共同作用消除生产和使用过程中产生的气泡。

2.8 涂膜性能

通过对丙烯酸树脂中羟基含量、n(-NCO):n(-OH)配比、颜基比以及各种助剂的筛选，得到.优方案的组合。按照1.2.4中要求制板、养护后进行涂膜性能指标测试，.终涂膜性能见表12。

表12 涂膜综合性能

3 结语

通过对水性聚氨酯面漆的实验研究证明：丙烯酸树脂羟基含量为4.2%（质量分数，后同）时得到的涂膜光泽高、耐老化性能好；n(-NCO):n(-OH)比值为1.5、颜基比为0.8时，即可得到综合性能较好的涂膜；分析比较了增稠剂A添加2%时，抗流挂和增稠效果.佳；丙烯酸酯类流平剂添加量为0.3%时，流平效果和光泽度.好；选择基材润湿剂A添加量为0.1%时，涂膜的基材润湿效果.好；选用消泡剂A和B复配使用，0.1%的消泡剂A添加到色浆生产过程中，0.1%的消泡剂B添加到涂料的生产该过程中，消泡效果.佳。本研究制得的水性聚氨酯面漆：光泽度（60°）≥93%、光泽度（20°）≥80%；摆杆硬度≥0.60；耐冲击性≥50kg·cm；耐人工老化2000h≤1级。该面漆可完全替代溶剂型产品，应用于轨道交通车辆面漆涂层。