高速列車橡膠外風(fēng)擋表面涂層的制備及性能

李嘉煒，孫翌，姜曉妍，鑒冉冉，黃靖,*，曾憲奎，王東，姜云法

（1.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061；2.青島澳泰交通設(shè)備有限公司，山東 青島 266109；3.青島綠金源安全技術(shù)有限公司，山東 青島 266041）

在高速列車橡膠外風(fēng)擋上制備表面涂層，能在列車運(yùn)行過程中保護(hù)橡膠基體，是增強(qiáng)外風(fēng)擋耐磨損、耐腐蝕、耐老化性能的必要手段。外風(fēng)擋涂層應(yīng)具有優(yōu)良的附著力、一定的柔韌性和致密的結(jié)構(gòu)，同時要兼顧美觀性。國內(nèi)對在橡膠等彈性體上制備涂層方面的研究較少。陳經(jīng)盛[1]、李永清[2]等人研制過硫化橡膠防老化涂層，但大都應(yīng)用在靜態(tài)的橡膠制品上，制備工藝比較簡陋。有關(guān)橡膠涂層性能研究的論文中也鮮有涉及對涂層附著強(qiáng)度、延展性等性能的綜合性研究。而現(xiàn)有橡膠外風(fēng)擋涂層在使用過程中仍存在易開裂、易脫落和欠美觀等問題，涂層性能有待提升。

本文針對上述問題，以橡膠外風(fēng)擋材料三元乙丙橡膠為基材，對其表面涂層的附著強(qiáng)度、光澤、延展性和拉伸疲勞壽命進(jìn)行了測試，并通過正交試驗(yàn)對打磨目數(shù)、固化劑比例、固化工藝參數(shù)對漆膜性能的作用機(jī)制進(jìn)行研究，通過研究得出各項(xiàng)因素對涂層性能的影響規(guī)律，并制定出符合要求的最優(yōu)工藝方案，提升橡膠外風(fēng)擋涂層的抗開裂、抗脫落性能和美觀度。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料和儀器

AT-SF250-M01底面一體漆、AT-SF250-GHJ固化劑、150 mm × 100 mm × 2 mm三元乙丙橡膠，青島澳泰交通設(shè)備有限公司。

角磨機(jī)、噴槍、101-0A型電熱鼓風(fēng)干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；WG68型光澤度測試儀，深圳威福光電科技有限公司；AI-7000-MGD拉伸試驗(yàn)機(jī)，高鐵科技股份有限公司；G7-7011-LHD高低溫拉伸疲勞試驗(yàn)機(jī)，北京創(chuàng)誠致佳科技有限公司。

1.2 高速列車外風(fēng)擋涂層的制備

工藝流程為：基體預(yù)處理→涂料噴涂→高溫固化。

用乙醇超聲(40 kHz)清洗三元乙丙橡膠10 min，去除其表面油污，100 ～ 150 °C下烘干1 ～ 2 h，保證基材與涂料最大的附著強(qiáng)度。使用角磨機(jī)(額定轉(zhuǎn)速8 500 r/min)對試樣表面進(jìn)行打磨。先使用較粗的砂紙沿著長度方向打磨4次，每次打磨區(qū)域約為1/3寬度，打磨軌跡沿著寬度方向均勻分布，再用同樣的方法沿寬度方向進(jìn)行打磨，兩個方向均重復(fù)打磨2次，打磨后橡膠表面應(yīng)呈現(xiàn)較為均勻的亞光狀態(tài)。然后用較細(xì)的砂紙按上述方法再次打磨，然后吹掃干凈。使用氣動噴槍對表面噴涂底面一體漆，噴涂氣壓0.6 kg/cm2，噴涂距離20 cm，噴槍移動速率約12 cm/s。噴涂完成后放入干燥箱中進(jìn)行固化，所得漆膜厚度為0.03 ～ 0.04 mm。

1.3 性能測試

分別根據(jù)GB/T 9286-1998《色漆和清漆 劃格試驗(yàn)》和GB/T 9754-2007《色漆和清漆 不含金屬顏料的色漆漆膜的20°、60°和85°鏡面光澤的測定》測試涂層的附著力與表面光澤。根據(jù)GB/T 528-2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》測試涂層的延展性，以涂層出現(xiàn)明顯開裂時的拉伸量作為評價指標(biāo)。根據(jù)GB/T 1688-2008《硫化橡膠 伸張疲勞的測定》測試?yán)炱?，?yīng)變設(shè)置為50%，頻率為1 Hz，涂層產(chǎn)生明顯開裂時停止實(shí)驗(yàn)并記錄周期數(shù)。

2 結(jié)果與討論

L9(34)正交設(shè)計(jì)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Result of orthogonal test

2.1 工藝參數(shù)對涂層附著力的影響

從表1可知打磨的目數(shù)越大，附著力等級越低，涂膜更易剝離。低打磨目數(shù)賦予制品較粗糙的表面，相比于光滑表面，不僅增強(qiáng)了漆膜與基材之間的機(jī)械咬合，還增大了物理吸附、化學(xué)吸附的作用面積，令漆面與基材的結(jié)合更牢固[3]。相比固化劑配比與噴涂工藝參數(shù)，打磨目數(shù)對涂層附著力的影響更明顯。當(dāng)涂層的附著力不變時，涂膜的內(nèi)聚力越大，附著強(qiáng)度越低[4]。

固化劑含量越高，附著力等級越低。隨著固化劑用量增加，漆膜的交聯(lián)度上升，體積收縮量增大，硬度和內(nèi)聚力增大[5]。另一方面，劃格試驗(yàn)是一種經(jīng)驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)方法，其結(jié)果不僅僅取決于底材和涂層的附著力[6]，比如涂層硬度很高時，其硬脆性更容易導(dǎo)致切割的過程中產(chǎn)生脫落。

但總的來說，多種工藝組合下涂層的附著力都達(dá)到了0級，可見本試驗(yàn)的工藝參數(shù)對涂層附著力的影響不大。

2.2 工藝參數(shù)對涂層光澤的影響

從表2可知，影響涂層光澤的因素排序?yàn)锽 ＞ C ＞ D ＞ A，優(yōu)化方案為A3B1C2D3。此條件下所制涂層的光澤為23.1 Gs。涂層光澤與打磨目數(shù)呈正相關(guān)，局部漆膜較薄或者流平不充分時，漆面隨基材表面的凹凸而相應(yīng)凹凸，粗糙的基材會呈現(xiàn)粗糙的漆面，而表面粗糙度較低的基材更利于涂膜流平，提高漆面光澤。涂層光澤與固化劑含量呈正相關(guān)，即當(dāng)固化劑比例較多時，涂層光澤較高。涂層的固化過程實(shí)際上是一種交聯(lián)反應(yīng)，固化劑含量充足時漆膜固化更充分，漆膜更致密，光澤高。隨著固化溫度升高，表面光澤呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，高溫時涂料黏度降低，有利于涂料迅速流平[7]，并在較高的溫度下快速交聯(lián)成膜，但是過高的溫度會造成涂層老化甚至分解，表面光澤下降。與之類似，較長的固化時間使涂層固化更充分，提升表面光澤，但是過長的固化時間會使涂層提前老化，失去光澤。本實(shí)驗(yàn)中由于控制固化時間比較合理，因此并未出現(xiàn)光澤的下降。

表2 涂層光澤的極差分析結(jié)果Table 2 Result of range analysis on gloss of coating

2.3 工藝參數(shù)對涂層延展性的影響

由表3可知，影響涂層延展性的因素排序?yàn)锳 ＞ B ＞ D ＞ C，優(yōu)化方案為A3B3C2D2。此條件下所制涂層出現(xiàn)裂紋時的拉伸量為198%。出現(xiàn)裂紋時的拉伸量與打磨目數(shù)成正比，基材打磨得均勻徹底則漆膜柔韌性好。在精細(xì)的表面上進(jìn)行涂裝時，漆膜厚度均勻、缺陷較少；反之，打磨的目數(shù)較低時基材表面凹凸較大，漆膜厚度不均，受到拉伸時在缺陷處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致斷裂[8]。出現(xiàn)裂紋時的拉伸量與固化劑配比呈正比，即固化劑比例越高，漆膜可承受的拉伸量越小。固化劑的用量決定了固化后漆膜的交聯(lián)密度，交聯(lián)密度大則漆膜硬度高[9]，彈性減弱，且涂層內(nèi)聚力大，對基材的濕潤下降，漆膜隨基材變形的能力降低[10]，容易產(chǎn)生裂紋和脫落。

表3 出現(xiàn)裂紋時拉伸量的極差分析結(jié)果Table 3 Result of range analysis on tensile amount when a crack occurs

固化溫度與固化時間對出現(xiàn)裂紋時拉伸量的影響大致相同，拉伸量隨著固化溫度提高和時間延長而呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，均有最佳值。固化溫度較低時涂料處于高黏度狀態(tài)，固化干燥過程中溶劑分子不易通過涂料的縫隙揮發(fā)到空氣中，容易產(chǎn)生氣泡、針孔等缺陷[11]；除此以外，高黏度使涂料流動性差，在完全固化以前流平不充分，致使成形的漆膜厚度不均，底材產(chǎn)生拉伸后在漆膜的缺陷和薄弱處產(chǎn)生微裂紋，最終導(dǎo)致漆膜開裂失效。溫度過高時，雖然涂料流動性佳，但是由于高溫下大量溶劑分子快速揮發(fā)并使表層漆膜快速干燥，漆膜的間隙不足以使大量溶劑分子一起通過，溶劑分子突破漆膜而形成氣孔，影響整體漆膜的延展性。實(shí)際上，漆膜柔韌性受到抗拉強(qiáng)度、附著力、內(nèi)應(yīng)力等多種因素的影響。固化時間較短時，漆膜交聯(lián)密度不高，雖然柔性較好但是附著力不足，且由于分子鏈之間的交聯(lián)不足，因此分子之間容易產(chǎn)生滑移，強(qiáng)度不足；固化時間過長時，固化反應(yīng)雖更徹底，但漆膜變硬變脆，韌性不足。

2.4 工藝參數(shù)對涂層疲勞壽命的影響

目前國內(nèi)外普遍認(rèn)同的橡膠疲勞破環(huán)的理論包括機(jī)械破壞機(jī)理和力-化學(xué)作用機(jī)理[12-13]。機(jī)械破壞機(jī)理認(rèn)為破壞最初發(fā)生于橡膠內(nèi)部缺陷處，而力-化學(xué)作用機(jī)理認(rèn)為是較薄弱的化學(xué)鍵先發(fā)生斷裂。高分子涂層與橡膠內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)同為網(wǎng)狀交聯(lián)體，斷裂機(jī)理相同，但涂層是附著在橡膠基材上的，影響其疲勞破環(huán)的因素不僅僅是內(nèi)部缺陷和化學(xué)鍵強(qiáng)度。

從表4可知，影響涂層疲勞壽命的因素排序?yàn)锽 ＞ A ＞ C ＞ D，優(yōu)化方案為A3B3C2D2。此條件下所制涂層的疲勞壽命為6 533次。疲勞壽命與打磨目數(shù)呈正相關(guān)，打磨目數(shù)越高，漆膜有更高的疲勞壽命，與涂層延展性類似，附著在較為精細(xì)、平整表面的漆膜厚度均勻、缺陷較少，不易產(chǎn)生裂紋。疲勞壽命與固化劑配比呈正相關(guān)。固化劑比例較少時，漆膜內(nèi)部交聯(lián)度不高，分子鏈活動性較高，裂紋引發(fā)緩慢；固化劑用量增多，則漆膜的交聯(lián)密度升高，交聯(lián)體呈現(xiàn)更多硬脆性，在周期性應(yīng)力下無法充分變形，并在缺陷處引發(fā)交聯(lián)鍵斷裂。

表4 疲勞壽命的極差分析結(jié)果Table 4 Result of range analysis on fatigue life

隨著固化溫度的升高，疲勞壽命呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。固化溫度為90 °C時，涂料黏度較大、流動性差，干燥時容易產(chǎn)生氣孔或氣泡，形成的漆膜不均勻。當(dāng)固化溫度為110 °C時，漆膜固化后的硬度較高、彈性不足，過高的溫度甚至可能導(dǎo)致漆膜老化，令疲勞壽命降低。疲勞壽命隨固化時間延長呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，與固化溫度大致相同，固化時間較短時漆面不能充分浸潤基材而完全固化，雖然柔軟但是彈性不足、附著力不強(qiáng)，固化時間較長時漆膜硬度高且脆，容易發(fā)生斷裂。所以應(yīng)該選擇適當(dāng)?shù)墓袒瘻囟群蜁r間使漆液充分流平，并令漆膜具有適當(dāng)?shù)挠捕群蛷椥浴?/p>

2.5 綜合評價

綜合考慮后確定了符合實(shí)際使用需求的最佳制備工藝參數(shù)為：打磨選擇150目 + 240目砂紙，主劑與固化劑之比6∶1，固化溫度100 °C，固化時間60 min。采用此工藝參數(shù)制備出的高速列車外風(fēng)擋涂層，光澤接近22 Gs，附著力為0級，拉伸疲勞壽命可達(dá)4 832次，出現(xiàn)裂紋時的最大拉伸量可達(dá)181%。在保證漆面美觀的同時，能有效防止漆面開裂、脫落現(xiàn)象的發(fā)生。

3 結(jié)論

基材表面粗糙程度對涂層附著強(qiáng)度影響最大，涂層光澤則主要受固化劑配比影響。影響涂層延展性和疲勞壽命的因素比較綜合，打磨目數(shù)和固化劑配比占主要地位。相對于光滑表面，粗糙表面的涂層附著強(qiáng)度優(yōu)秀，但是不利于涂層隨基體拉伸變形。通過調(diào)整固化劑比例能夠改變漆膜的硬度和彈性，通常漆膜硬度越高則光澤高而柔韌性有所下降，制備涂層時應(yīng)該根據(jù)實(shí)際需求綜合考慮，以制定合理的工藝方案。對于本文中測試的絕大部分性能，固化溫度和固化時間均有最佳值，過高和過低均不可取。