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高性能高速列车车厢面漆的研制,以高羟值弹性聚酯和羟基丙烯酸树脂混拼为基体树脂,中国机械网,okmao.com
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高性能高速列车车厢面漆的研制,以高羟值弹性聚酯和羟基丙烯酸树脂混拼为基体树脂
2019年10月05日    阅读量:328    新闻来源:中国机械网 okmao.com  |  投稿

1 引言

交通运输业的快速发展拉动并促进了国民经济的稳步增长,近年来我国轨道交通的发展速度令世人瞩目。随着火车的不断提速和城际高速列车的开通,车厢的材质由碳钢改为轻质铝合金,涂料的品种及品质也将从根本上得到转变[1]。


由于列车的行驶速度快、路程长、跨越地域广、遭遇各种恶劣环境的几率高;因车速高而卷起的碎石增多、撞击力加大;夏季因太阳光辐射而引起车厢内的温度升高等因素,要求铝合金车厢涂料必须具有高附着力、耐腐蚀、抗沙石冲击、隔热节能、耐温变、高耐候、易清洁等功能,同时还应有较高的硬度、光泽、装饰性和安全性能中国机械网okmao.com。本研制的弹性聚酯-丙烯酸聚氨酯高速列车车厢面漆各项性能均达到了设计要求。


2 试验部分

2.1 原材料

主要原材料:弹性聚酯,自制;羟基丙烯酸树脂,三木集团;HDI 三聚体N-3990,拜耳公司;金红石型钛白粉R-706,杜邦公司;超细硅铝基空心微珠,世先英华公司;纳米掺锑二氧化锡(ATO)、纳米SiO2 粉体,江苏河海公司;分散剂、消泡剂、流平剂、防流挂剂,BYK 公司;催化剂、溶剂,市售;紫外线吸收剂,汽巴公司。

2.2 涂料的基本配方

高速列车车厢面漆分甲、乙两组分,甲组分的配方见表1;乙组分为N-3390。配漆时甲、乙组分的质量比为100 ∶ 30。

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2.3 制备工艺

⑴纳米ATO 和纳米SiO2 的预处理:基体树脂+分散剂+纳米ATO 或纳米SiO2,高速分散4 h 后再研磨成浆料。

⑵按配方量称取各原料,除陶瓷空心微珠外,将其余原料混合分散均匀,研磨成细度不大于15 μm 的颜料浆。颜料浆在搅拌过程中加入空心微珠和剩余助剂,用混合溶剂调整黏度为100 ~120 s(涂- 4 杯),过滤包装。

⑶乙组分N-3390 单独包装。

2.4 性能检测方法

⑴常规性能检测按相关国家标准进行。

⑵耐温变性按GB/T 9154—1998 进行检测。试板涂膜厚度为(70±5)μm,先在-50 ℃下冷冻4 h,然后以1 ℃/min 的速率将温度升至70 ℃,恒温4 h 为一个周期,试验20 个周期后,涂膜应无粉化、开裂、剥落、起泡、明显变色、失光等现象。

⑶太阳光反射率由中国科学计量研究院按ASTMC 1371-04a 进行检测。

⑷隔热性检测:在自制隔热效果测试装置上,将涂有本面漆的试板和不含ATO、SiO2、空心微珠的同类面漆的对照试板放入由2 个相同的EPS 泡沫板组成的空心箱上,在500 W 碘钨灯照射下分别记录2 个试板的表面温度和箱内环境温度的变化数据,计算2 个试板的表面温差和箱内环境温差。


3 结果与讨论

3.1 不同树脂对涂膜性能的影响

涂膜的附着力、耐磨性、柔韧性、耐冲击性是衡量其抗风沙和碎石撞击性能优劣的重要表征。当涂膜柔韧性好、附着力强、耐磨蚀性优、耐冲击性佳时,可有效抵抗风沙和碎石的撞击及恶劣气候的侵袭,减少涂膜的损坏程度。

以几种不同树脂为基料制备的面漆,其性能比较见表2。

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注:耐冲击、抗石击、耐人工老化性均在铝合金底材上按底、中、面漆配套,且干膜厚度≥150μm条件下进行。

由表2 可知,丙烯酸聚氨酯面漆虽然耐老化性较好,但耐磨、耐冲击、抗石击等性能较差;弹性聚酯聚氨酯面漆虽然其它性能较好,但耐老化性较差;弹性聚酯/丙烯酸聚氨酯面漆综合了2 种树脂的优点,其综合性能最优,原因如下。

⑴弹性聚酯对涂膜的柔韧性、耐磨性、耐冲击性、抗石击性有显著的贡献。聚酯的结构式为:

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式中单体HO—R'—OH 选用不规整的、相对分子质量大的1,2-丙二醇取代乙二醇,同时单体HOOC—R"—COOH 采用长链脂肪酸取代短链脂肪酸,因而聚酯的弹性好,耐磨性、耐冲击性、抗石击性强。自制的聚酯树脂主链由软、硬链段交替构成,以软链段为主、硬链段为辅,并有一定的支链化结构,且相对分子质量控制在中等程度,当采用HDI 三聚体为交联固化剂时,可获得具有一定硬度的柔韧涂膜。⑵羟基丙烯酸树脂耐候保色性、附着力和硬度好,但是耐磨、耐冲击性、抗石击性差。羟基丙烯酸树脂的结构式为:

(CH2—C(R')COO—R"OH)n

当式中R' 为H 时,便于链的旋转,弹性好;R'为—CH3 时,不便于链的旋转,弹性差;—R"OH 为长链时弹性好。本研究选用的羟基丙烯酸树脂,羟值(100%树脂)为1 000 mgKOH/g,Tg 为60 ℃,与N-3390配漆交联密度大、硬度高、耐沾污性好。

⑶以弹性聚酯和丙烯酸树脂按一定比例混配为基体树脂,以N-3390 为固化交联剂配制的面漆,涂膜具有既坚硬又柔韧的独特性能。其氨酯键可以形成氢键,在外力的作用下,氢键可以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,因此使聚氨酯涂膜具有高度机械耐磨性、柔韧性和附着力[2],同时具有抗石击性,且耐候性优异。


3.2 颜填料对涂膜性能的影响

在基体树脂中添加适量的功能性颜填料,可以防止涂膜病态,改善涂膜的综合性能。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(不小于80%)、耐候保色性好、耐化学腐蚀性优等特点;二氧化硅、三氧化铝、氧化铬、陶瓷粉等是耐磨涂料中常用的刚性无机填料,但耐磨材料的不同形态结构对涂膜性能的影响不同。据舒尔兹研究[3],以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。

本研究选用的超细硅铝基陶瓷空心微珠,其内部呈微小的多孔性空心结构,表面由纤维空心网状结构构成坚硬的外壳,是一种标准的球形氧化硅铝陶瓷材料,其抗压强度为5 000 ~ 7 000 kg/cm2,莫氏硬度为5 ~ 7,导热系数为0.07 ~ 0.12 W/(m·K),光散射率达80% ~ 88%。其典型特征和物理特性为:球形、超细、流动好;中空、超轻、密度低;多孔、润滑、易填充;抗压、增韧、硬度高;阻燃、隔热、耐高温;隔音、绝缘、防静电;防水、防腐、低收缩;无毒、防菌、耐酸碱。在车厢面漆配方中固定颜基比为1 ∶ 1,且在其它因素不变的条件下,只改变颜填料的质量比,检验其对涂膜性能的影响,结果见表3。

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注:耐冲击性、耐磨性均为底、中、面配套,且在干膜厚≥150 μm条件下进行。

由表3 可知,随着钛白粉用量的提高,涂膜的遮盖力、光泽、阳光反射率相应提高;随着钛白粉用量的降低而空心微珠用量的提高,涂膜的耐冲击性、耐磨性相应提高,当m(R-706)∶ m(空心微珠)=2 ∶ 1 时,涂膜的综合性能最好。这是因为陶瓷空心微珠的粒径小(1 250 ~ 2 500 目),比表面积大,表面呈纤维网状结构,易吸收成膜物形成更多的物理交联点,使成膜物与空心微珠结合得更紧密,形成的涂膜更致密、柔性好、强度高。多孔性空心微珠与实心结构相比,表面吸收的成膜物大分子链更多更好,对荷载的分布更均匀,能够有效地分散内部和外部应力,减弱局部受到的冲击和摩擦力,减少磨损值。


3.3 纳米材料对涂膜性能的影响

3.3.1 纳米ATO 的影响

纳米ATO 粉体具有优良的光电性能,对太阳光谱有理想的选择性,在可见光区(波长400 ~ 720 nm)透过率很高,对红外光(波长720 ~ 2 500 nm)有很好的屏蔽性,由于近红外光占太阳光总能量的50%,因此提高涂膜对红外辐射热的阻隔率,才能有效地降低基材的温度。将适量的ATO 分散到面漆中,可显著提高涂膜的隔热降温性,降低夏季空调的电能消耗。在面漆配方中其它因素不变的条件下,ATO 的掺量对涂膜主要性能的影响见表4。

表4 ATO 掺量对涂膜性能的影响

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由表4 可知,在试验范围内,随着纳米ATO 掺量的增加,涂膜的附着力、耐冲击性、弯曲性、耐磨性、隔热性相应提高,当纳米ATO 掺量超过4%时对性能的提高不明显。这是因为纳米粒子存在界面效应,使之与树脂间形成更多的接触面积,产生更多的微裂纹和弹性变形,将更多的冲击能转化为热能吸收,从而提高冲击强度,达到增加强度、提高韧性的目的[4]。因此可提高涂膜的附着力、耐冲击性、耐磨性。


ATO 的隔热机理是:在ATO 半导体中,由于Sb5+固溶到SnO2 中,以及SnO2 在高温烧结时形成氧空位而产生自由载流子[5]。当太阳光照射到涂膜表面时,热辐射的一部分被载流子吸收,另一部分由于入射光源低于等离子振荡固有频率而被等离子反射,涂膜对辐射热的阻隔作用是吸收和反射共同作用的结果,反射和吸收都起到屏蔽红外光的作用,即产生了良好的隔热性。


3.3.2 纳米SiO2 的影响

纳米SiO2 是无定型白色粉末(指其团聚体),比表面积大,表面自由能高,表面存在不饱和残键和不同键合状态的羟基,其分子呈三维链状结构,具有很大的表面活性。纳米SiO2 具有极强的紫外线屏蔽作用,对UVA(320 ~ 400 nm)的屏蔽率达88%;对UVB(290 ~320 nm)的屏蔽率为85%;对UVC(200 ~ 290 nm)的屏蔽率仍在70% ~ 80%,将其分散到本面漆中,可显著提高涂膜的抗紫外老化性能。


同时纳米SiO2 对大于800 nm 的红外光的反射率达70%以上,可协同TiO2、ATO 将涂层的热辐射和吸收热发射出去,使涂层具有隔热降温性能,同时提高耐沾污性。纳米SiO2 掺量对涂膜主要性能的影响见表5。

表5 纳米SiO2掺量对涂膜性能的影响

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由表5 可知,随着纳米SiO2 掺量的增加,涂膜的附着力、耐冲击性、弯曲性、耐磨性、耐人工老化性及耐沾污性全面提高,尤其是耐人工老化性提高显著。这是因为纳米SiO2 表面能高,在涂料中能形成强大的吸附中心,在涂膜表面形成键合,提高了涂膜的致密度、硬度和柔性,继而使涂膜附着力、耐冲击性、耐磨性和耐沾污性增强,同时纳米SiO2 还能改善涂料的流变性和抗流挂性。


3.4 溶剂的选择

聚氨酯涂料用溶剂,除了考虑其溶解力、挥发速率、低毒性以外,还要避免采用易与—NCO 发生反应的醇类、醚醇类溶剂,且必须达到不含水分的“氨酯级”标准。酯类、酮类、芳烃类是聚氨酯涂料常用的溶剂。


酯类、酮类溶剂的溶解力强、极性大,能与醇羟基形成氢键,产生缔合,使—NCO/—OH 反应缓慢,有利于涂膜流平和延长施工期;芳烃类溶剂虽然溶解力差,但却能加快—NCO/—OH 的反应速率。选择溶解度参数相近、挥发速率快、中、慢的酯类、芳烃类溶剂按平衡原则混配,可取得理想的效果。


自配的混合溶剂其蒸馏曲线应呈平稳上升的形状,应尽量使混合溶剂的气相组成和液相组成在环境温度下的挥发过程中始终保持一致,从而使残留溶剂具有良好的溶解力[6]。面漆选择二甲苯、丙二醇甲醚醋酸酯、醋酸丁酯按质量比为3 ∶ 2 ∶ 2进行混配,效果良好。


3.5 性能检测结果

高性能高速列车车厢面漆性能检测结果见表6。

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4 结语

⑴基体树脂选用自制的弹性聚酯和外购的羟基丙烯酸树脂按比例混合而成,固化交联剂选用拜耳公司的N-3390,按—NCO/—OH=1 ∶(1.0 ~ 1.1)配制的聚氨酯面漆,具有优异的柔韧性、附着力、耐磨性、耐冲击性和抗石击性,耐人工老化达到2 000 h。

⑵当颜基比为1 ∶ 1 时,以金红石型钛白粉为颜料,以硅铝基陶瓷空心微珠为填料,二者的质量比为2 ∶ 1 时,涂膜的光反射率达到86%,隔热性优良,物化综合性能好。

⑶以纳米ATO 和纳米SiO2 粉体为改性剂,当纳米ATO 掺量为3% ~ 4%、纳米SiO2 掺量为2% ~ 3%时,可显著提高涂膜的耐冲击性、耐磨性和耐老化性,同时提高涂层的隔热性,可有效地降低空调的电能消耗。

⑷混合溶剂用m(二甲苯)∶ m(醋酸丁酯)∶ m(丙二醇甲醚醋酸酯)=3 ∶ 2 ∶ 2 混配,可使聚氨酯面漆的综合物化性能获得理想效果。


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