水性涂料在轨道车辆上的应用及展望

data-full-width-responsive="true"> 0 前言目前国际上通用的对涂料产品中的VOC的定义是指在与涂料产品接触的大气的正常温度和压力下能自行蒸发的任何有机液体或固体，通常将涂料产品中在常压下沸点不大于250 ℃的任何有机化合物都定义为挥发性有机化合物(VOC)。据统计，人类生活和生产活动向大气中排放的VOC占全球大气污染量的15%，而全世界每年涂料加工和生产释放出来VOC有1 000万t，占排放总量的20%～25%，是仅次于汽车尾气的全球第二大大气污染源，且溶剂排到大气中后，会造成光化学污染，形成温室效应。随着环境保护日益受到人们的重视，21世纪涂料发展方向之一是环保涂料，即高固体分含量、低污染或无污染涂料，其中水性涂料是研究和需求的热点[4]。水性涂料VOC含量低，对环境和人体危害小，在国外已经进入工业化应用阶段。当然水性涂料也有其自身弱点，如对工件表面前处理要求高、干燥过程需严格控制温湿度、修补工艺复杂等。目前在轨道车辆的制造上，水性涂料在欧美等发达国家已逐步得到应用，如阿尔斯通公司2003年3月执行的意大利Minuetto CTR项目(图1)、西门子公司2005年5月执行的英国Desiro SouthWest项目(图2)、庞巴迪公司2007年3月执行的法国巴黎地铁MF 2000项目(图3)等。国内水性涂料的应用尚处于起步阶段，主要应用于风力叶片、车轴、汽车制造等领域，对于轨道车辆水性涂料的应用还很少。2011年由南车四方承建的新加坡C151A铝合金地铁车辆项目(图4)首次采用了水性涂料体系。本文根据C151A地铁项目执行过程中水性涂装体系的成功应用经验，系统分析了轨道车辆生产过程中水性涂料体系的选型、检测标准、施工工艺和施工过程中存在的问题及解决措施。1 轨道车辆用水性涂料体系选择传统溶剂型涂料在使用过程中不可避免地使用了大量的有机溶剂，喷漆和烘干工序VOC排放占到整个涂装车间VOC排放的95%以上。这些有机溶剂释放到大气中，不仅对操作人员造成极大伤害，而且还会污染环境，增加施工场所发生火灾和爆炸的危险性，造成能源和资源的浪费。溶剂型涂料的分散介质是VOC含量最高的部分，而水性涂料以水为分散介质，大幅度降低了VOC的排放，同时水性涂料具有卓越的防火性能，其毒性和燃烧烟密度均满足BS6853标准，有着良好的附着力和耐化学性，是对人体无害的环境友好型涂料。11 底漆底漆作为涂装体系的第一层，直接与基材相连接，其层间附着力和自身防腐能力直接影响整个涂装体系的质量，所以底漆的选择侧重于考察附着力、耐化学品、防腐蚀性等，另外轨道车辆涂装体系中腻子层是调整车体平整度的手段之一，这就要求底漆与基材、腻子层都有良好的附着力。水性环氧树脂分子结构中含有醚键、羟基以及活性环氧基等强极性基团，这些基团的存在使环氧树脂分子与相邻界面产生电磁吸附或化学键；水性环氧树脂固化时还会派生出部分羟基，羟基之间将产生氢键缔合作用使环氧树脂分子排列紧密，使环氧树脂在固化前后密度差别较小，而且水性环氧树脂的固化反应主要是逐步开环的加成聚合反应，在反应中无小分子的副产物生成，固化收缩率仅有2%左右，因此水性环氧树脂涂料在固化成膜时对涂膜/界面之间的附着力影响很小，与金属、木材、混凝土等大部分基材表面都能产生很强的黏结力。水性环氧树脂中的苯环、丙叉基对羟基、醚键以及固化剂中的胺基等亲水性基团具有屏蔽作用，当水性环氧树脂固化成膜后，由于分子结构中含有稳定的苯环和醚键，分子结构又较为紧密，因此对化学品腐蚀有较好的稳定性以及优异的机械强度，如硬度、耐冷热和机械冲击等性能。综合水性环氧树脂优异的附着力、耐化学品腐蚀以及耐水性等特点，选择以水性环氧涂料作为底漆。12 中涂漆中涂漆有助于提高被涂物表面的平整度和光滑度，封闭腻子层的缺陷，提高面漆涂层的鲜映性和丰满度，同时能够改进装饰性，增加涂膜厚度和耐水性。聚氨酯是分子结构中具有氨基甲酸酯结构的一类大分子化合物的总称，通常由二异氰酸酯和多元醇经聚加成反应制成。鉴于异氰酸酯和多元醇种类的多样性，得到的聚氨酯可以是从软到硬、从脆到韧、从高弹性到有一定刚性的各种形态的产品，能够满足成膜厚和抗渗透性的要求，为保证与腻子层和水性聚氨酯面漆层具有极佳的附着力，选用水性聚氨酯涂料作为中涂漆。13 面漆面漆是涂装的最终涂层，城轨车辆最终所呈现出的整体效果都是通过这一层所体现。面漆作为能够抵御各种恶劣气候条件下的长效涂层，在兼有装饰和保护功能的基础上，如颜色、光泽、质感等，要求具有很好的耐污染、耐老化、耐酸碱、耐水性和耐海洋大气腐蚀性，同时能够满足施工方便、涂膜干燥快、保光保色好等特点，使涂层长期保持良好外观。水性聚氨酯成膜后具有优异的柔韧性，常常与相对刚性的丙烯酸乳液掺混制漆，得到的水性涂料兼具二者的优点，特别表现在可在较低的温度下成膜，又有较好的涂膜硬度。较好的方法是在制备聚氨酯分散体的过程中引入丙烯酸单体，制成以聚丙烯酸酯为核、聚氨酯为壳的核壳结构粒子。这种聚氨酯-丙烯酸分散体(PUA)被认为是第四代聚氨酯分散体，特称为杂合物(Hybrid)，其性能比丙烯酸乳液和聚氨酯分散体的掺混物要好，主要表现在配漆更稳定、低温成膜性更优、不返黏、硬度高、柔韧性好、附着力好、优异的耐候性和抗黄变性等，可用作户外装饰涂料；而环氧涂料的耐候性较差，涂膜经日光紫外线照射后易降解粉化，不适宜作为大气防腐蚀面漆，所以水性聚氨酯涂料是面漆的理想选择。