轨道交通车辆内饰用水性聚氨酯砂纹面漆的研究与应用

2020-07-16

轨道交通车辆制造行业作为高性能工业涂料的重要应用领域,年需涂料近1 t。由于良好稳定的防护性能和较宽泛的施工条件要求,使得溶剂型涂料在轨道交通车辆涂装行业仍然占有极大的应用比例。但随着整个社会环保意识的增强,水性轨道交通车辆涂料替代相应的溶剂型涂料已经提上日程。

溶剂型轨道交通车辆涂料中含有约40%的有机溶剂,且在涂装过程中,为保证达到良好的涂装效果和涂膜状态,施工前一般还在涂料中添加20%左右的有机溶剂作为稀释剂。这些有机溶剂均会在涂装施工及涂膜干燥固化的过程中挥发到周围大气中,对施工环境和大气环境造成严重污染。仅轨道交通车辆制造行业每年会有约5 000 t有机溶剂挥发到大气中,且轨道交通制造企业基本上位于中东部经济发达人员密集区域,面临较大的环保压力。

高速动车组、地铁车辆和普通铁路客车等轨道交通车辆的内饰件大多为玻璃钢等复合材料,为达到美观、防护等目的,往往需要在装配前进行涂装。轨道交通车辆内饰用涂料在附着力和耐磨性等防护性能、环保性能上均有明确的指标要求。

从轨道交通车辆的使用方面来看,溶剂型涂料涂装的轨道交通车辆如果立即用于客运服务,由于涂层中残余未挥发完全的有机溶剂,会危害旅客和司乘人员的身体健康。所以大部分主机厂在新车装配完成后,会对车内空气进行甲醛、苯系物含量和总挥发性有机物含量的检测,这对采用常规的轨道交通车辆内饰溶剂型涂料来说是一个比较大的挑战和必须面对的问题。为了保证新车内部空气质量达到要求,内饰件在涂装完成后往往需要在开放空间放置14 d左右来使残留挥发性有机物继续排放,这会造成生产效率大大降低并形成库存压力。

近年来,随着社会对环境保护的日益重视和涂料水性化技术的进步,轨道交通车辆用水性涂料研发和推广的进度大大加快。在车体外部水性化的尝试比较早,2007年,长春轨道客车股份有限公司首次采用水性涂料配套体系进行整车涂装。2009 年起,中车青岛四方机车车辆股份有限公司陆续在新加坡地铁、青岛地铁3号线、郑州地铁1号线等项目采用水性涂料,开启了轨道交通涂料水性化的批量应用时代。在轨道交通用内饰涂装方面,水性化进程起步较晚,但是进展迅速,根据铁总和中车的要求,在2018年已经完成复兴号动车组的内部涂装水性化,2019年完成了绝大部分城市轨道地铁车辆内部涂装水性化的切换工作。

轨道交通车辆内饰底材主要为玻璃钢复合材料,涂装配套一般为环氧底漆和聚氨酯面漆,在本研究开展之前普遍采用溶剂型涂料,本研究主要对水性聚氨酯面漆的开发过程和性能影响因素进行探讨,并在轨道交通车辆内饰涂装领域首次批量应用,替代原有溶剂型品种,满足防护性能的同时改善了轨道交通车辆的环保性能。

1 实验部分

1. 1 原材料

水性羟基丙烯酸分散体Bayhydrol A 2470:科思创;自消光水性羟基丙烯酸分散体Macrynal SM6826w/43 WA:湛新;钛白粉Ti-Pure R-900:科慕;炭黑MA-100:三菱;无机消光粉ACEMATT TS100:赢创;有机蜡消光粉CERAFLOUR 920BYK;砂纹粉:美国三叶;滑石粉:蕉岭广福;分散剂:EFKA;消泡剂:TEGO;流平剂:BYK;流变助剂:陶氏;亲水改性多异氰酸酯Bayhydur® XP 2655:科思创;丙二醇二醋酸酯DOWANOL PGDA,丙二醇甲醚醋酸酯DOWANOLPMA,乙二醇丁醚醋酸酯Butyl Cellosolve Acetate,二乙二醇丁醚醋酸酯Butyl Carbitol Acetate:陶氏。

1. 2 主要实验设备

高速分散机、砂磨机:耐驰(上海)机械仪器有限公司;KU 黏度计:美国BROOKFIELD 公司;电子天平:梅特勒-托利多公司;附着力测试划格器、铅笔硬度计:标格达精密仪器(广州)有限公司;涂膜耐磨仪:美国TABER公司;气相色谱质谱联用仪:美国安捷伦公司;高效液相色谱仪:日本岛津公司。

1. 3 水性聚氨酯砂纹面漆的基础配方

水性聚氨酯砂纹面漆由主剂和固化剂组成,主剂和固化剂的制备配方如表1所示。

1. 4 涂料制备过程

1. 4. 1 主剂的制备搅拌下依次将原料16加入到分散容器中,高速分散均匀后,采用砂磨机研磨至细度≤10 μm,然后转移至调漆容器中,搅拌下,依次加入原料713,采用原料14调整黏度至8090 KU,主剂制备完成。

1. 4. 2 固化剂的制备

搅拌下,依次将原料1516加入到调漆容器中,混合均匀,固化剂制备完成。

1. 4. 3 涂膜制备

涂膜制备时,主剂和固化剂采用机械搅拌混合均匀,加入适量去离子水稀释至合适黏度后喷涂施工,流平15 min后,采用60 ℃烘烤90 min

2 性能要求

2. 1 防护性能的要求

由于轨道交通车辆人流量较大,容易发生行李和随身物品的磕碰与摩擦,这对轨道交通车辆内饰用涂料提出了机械性能要求;考虑到窗口部位容易受到阳光照射,为保持长期的颜色和光泽稳定,涂层也应具有一定的耐候性;同时内饰板局部会与供暖设施接触,对涂层的耐热性能也应有一定要求。

20169月中国铁路总公司发布了企业标准《QCR 546. 22016 动车组用涂料与涂装内部装饰用涂料及涂层体系》规定了动车组车体内装墙板、顶板等大型部件表面装饰用涂料及配套涂层体系的技术要求。

2. 2 环保性能的要求

2006 年,原铁道部颁布了《TB/T 31392006 机车车辆内装材料及室内空气有害物质限量》标准,规定了机车车辆客室及司机室内装材料有害物质限量、试验方法及检验规则,由于该标准制定时间较早,主要是针对溶剂型涂料,VOC采用的测试方法按照《GB185812001溶剂型木器涂料中有害物质限量》进行,其中未针对水性涂料将水从VOC识别出来,造成水性涂料的VOC 测试结果失真,且只对涂料中VOC、三苯、游离甲苯二异氰酸酯和重金属限量做了规定,未对涂层干燥初期残存的VOC 进行测试和限量。

轨道交通车辆各主机厂为保证新造车的空气质量,近年来各自制定了《轨道车辆内装非金属材料、部件TVOC管控通用技术要求》等类似文件,大多采用贴近实际应用的“袋子法”对涂料进行要求,检测方法为将正常工艺喷涂养护的工件放入密闭的塑料袋中,在规定的温度下经过规定时间后[一般为(25±1)℃环境下保持(16±0. 5h],对袋子中的空气质量进行测试,采用高效液相色谱仪(HPLC)对甲醛含量进行分析,采用热解析/气相色谱质谱联用仪TDS/GCMSVOC进行分析,并加规定限值来保证内饰用涂料在实际应用中的环保性。

“袋子法”的测试装置示意图如图1所示。

3 结果与讨论

3. 1 不同消光手段对涂膜性能影响对比

由于高光泽表面对光线的直接反射容易引起乘客的视觉疲劳,所以轨道交通车辆内装材料表面光泽一般选用亚光或者低光。目前轨道交通车辆内饰用面漆一般采用聚氨酯树脂作为成膜物质,水性和溶剂型体系大部分的聚氨酯树脂都具有较高的光泽,所以消光是首先需要解决的问题。

涂料常见的消光手段有:自消光树脂、无机消光粉、有机蜡消光粉、常规填料消光等,这些消光手段的机理和特点如表2所示。

采用上述4种技术手段分别制备光泽为(15±5)(60°光泽)的水性聚氨酯砂纹面漆,考察涂层性能,测试结果见表3

从表3可以看出,不同消光手段对涂膜性能影响较大。采用自消光树脂(水性羟基丙烯酸分散体)Macrynal SM 6826w/43 WA的样品,各项机械性能优异,均能达到《QCR 546. 22016动车组用涂料与涂装内部装饰用涂料及涂层体系》指标要求,为最终确定的消光方案;采用有机消光粉ACEMATT® TS100的样品在杯突试验和耐磨性测试上结果偏低,在制备亚光面漆时无法达到要求;采用有机蜡消光粉CERAFLOUR 920,虽然可达到指标要求,但将高光聚氨酯涂料光泽调整至15左右时,加入量需要达到6%,作为助剂其价格高于Macrynal SM 6826w/43 WA,由于配方成本经济性原因,未采用此方案;采用大量滑石粉MS2500消光的样品虽然成本最低,但各项涂层机械性能偏低,无法满足指标要求。

3. 2 助溶剂对残存VOC 的影响

助溶剂对于水性聚氨酯涂料是必不可少的,其主要起到3方面作用:(1)帮助主剂中的羟基丙烯酸分散体融合成膜;(2)降低固化剂中异氰酸酯树脂黏度,以帮助其在主剂中乳化;(3)在成膜固化过程中,延长开放时间,使得异氰酸酯与水发生副反应产生的二氧化碳气体易于逸出,提高涂膜最低起泡厚度(BFFT),减少涂膜表面产生微泡等弊病。

基于上述第一点和第三点助溶剂的作用,挥发速率过快的溶剂不适于在水性聚氨酯涂料中采用,一般采用慢干溶剂,至少要低于水的挥发速率。但挥发速率也不能过慢,因为这些助溶剂会在涂料成膜固化过程中缓慢释放,如果释放时间过长,涂装工件在投入使用时仍含有大量的未挥发有机物,对轨道交通车辆内部封闭空间的空气质量影响较大。

由于玻璃钢复合材料中也可能含有挥发性有机物,对环保测试结果产生干扰,所以对涂膜的残存VOC 测试,一般选用铝制板材,TVOC 指标限值为≤0. 70 mg/m3,基于此要求,实验对助溶剂的种类和加入量进行了筛选,重点关注了BFFT和残存TVOC,结果如表4所示。

从表4 可以看出,助溶剂对水性聚氨酯涂料的BFFT和残存TVOC影响较大,丙二醇二醋酸酯的综合性能最好,当添加量为10% 时,BFFT 可以达到92 μm,超过目前轨道交通车辆内饰面漆60 μm规范膜厚的1. 5倍以上,且TVOC仅为0. 283 mg/m3,满足轨道交通主机厂≤0. 70 mg/m3的限制要求。丙二醇甲醚醋酸酯由于挥发速度过快,无法延长水性聚氨酯涂料干燥过程中的开放时间,造成BFFT50 μm以内,无法达到行业要求;乙二醇丁醚醋酸酯虽然在BFFT和残存TVOC上表现都很好,但是由于其在水中溶解性过低,容易在涂料中析出造成涂膜缩孔弊病;二乙二醇丁醚醋酸酯在提高BFFT上表现最为优异,但由于其挥发速度较慢,在涂膜中大量残存,造成TVOC偏高,无法达到环保要求。

3. 3 粒径砂纹粉对装饰效果的影响

轨道交通车辆内饰用水性聚氨酯面漆为提高耐磨性、装饰性和改善触感大多要求砂纹效果。砂纹漆的制备一般是在涂料调合阶段加入砂纹粉,在高速搅拌下分散均匀。砂纹粉一般为聚乙烯晶体,在水性涂料和溶剂型涂料中均具有良好分散性,粒径从35135 μm不等,可根据装饰效果需要选用。

5对比了美国三叶公司的不同型号砂纹粉的指标性能和装饰效果,最终根据轨道交通车辆内饰行业特点选择了50 μm粒径的Texture 5378-W

从表5可以看出,不同粒径的砂纹粉,对涂膜外观影响较大,原因在于内饰面漆涂膜规范膜厚为60 μm,所选用砂纹粉粒径从3580 μm,两者基本接近,前述的“顶托效应”和树脂包覆作用在固化干燥成膜过程中均有体现。其中50 μm粒径砂纹粉在湿膜和干膜中的示意图如图2所示。

在图2 中,涂膜刚刚喷涂完成,湿膜厚度大约120 μm,粒径约50 μm 的砂纹粉可以完全被涂层包覆在其中。当涂膜逐渐干燥收缩,砂纹粉之间逐渐靠近,顶托效应显现,有一部分砂纹粉会显现在涂层表面,形成砂纹效果,如图4所示。

3. 4 水性聚氨酯砂纹面漆的性能指标

本研究制备的轨道交通车辆内饰用水性聚氨酯砂纹面漆性能指标满足中国铁路总公司《QCR 546. 22016动车组用涂料与涂装内部装饰用涂料及涂层体系》标准中对面漆的性能要求,环保指标满足中车公司《轨道车辆内装非金属材料、部件TVOC管控通用技术要求》标准中涂层残存VOC的要求,具体检测结果如表6所示。

4 轨道交通车辆内饰用水性聚氨酯砂纹面漆的施工应用

水性聚氨酯砂纹面漆施工分为喷涂前底材处理、调漆、喷涂和烘烤工序:喷涂前采用320目砂纸对工件打磨处理,采用高压风吹扫、干净抹布擦拭,喷涂表面无灰尘、无油污;调配时一边搅拌主剂,一边按配比将固化剂倒入主剂中,再加入适量的去离子水稀释,机械搅拌510 min至混合均匀,熟化10 min可使用;采用空气喷枪施工,两道“湿碰湿”喷涂,建议两道涂装间隔10 min左右;面漆喷涂结束后,流平15 min,然后进入60 ℃烘房,进行90 min的烘烤。

采用本研究制备的水性聚氨酯砂纹面漆在轨道交通车辆内饰件喷涂线实际施工过程如图3所示。

施工结束后对工件进行了划格法测试、光泽测试、色差测试、砂纹效果目视对比等常规性能检测,各项指标均达到要求,测试结果如表7所示。

喷涂后外观效果如图4所示。

5 结语

采用自消光的水性羟基丙烯酸分散体作为消光手段,添加总配方10%的丙二醇二醋酸酯作为助溶剂,选用50 μm的砂纹粉制备的轨道交通车辆内饰用水性聚氨酯砂纹面漆性能满足中国铁路总公司《QCR 546. 22016 动车组用涂料与涂装内部装饰用涂料及涂层体系》和中车公司《轨道车辆内装非金属材料、部件TVOC管控通用技术要求》,通过实际施工喷涂,涂装效果良好。

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