環(huán)保水性涂料在軌道車輛涂裝中的使用

宗 嶼

（青島中車四方軌道車輛有限公司，山東 青島 266000）

近年來我國引進高速動車組技術，鐵路客車的需求量也逐年遞增，軌道交通裝備制造業(yè)包括了動車組、地鐵、普通鐵路客車、輕軌等，得到迅速發(fā)展。為了增強軌道客車的車體防腐裝飾性，有必要對車體完成涂裝處理。如今廣泛用于鐵道車輛的水性涂料，除了降噪減振作用的阻尼涂料，還有大部分溶劑類涂料應用，含有50%的有機溶劑，在施工中涂膜表面與噴漆漆霧內(nèi)有機溶劑會揮發(fā)至車間空氣中，涂料霧滴溶劑揮發(fā)還會在車間內(nèi)產(chǎn)生粉塵，導致涂裝車間VOC排放量超標，氣味刺鼻對接觸人員的身體健康造成破壞，甚至污染大氣破壞生態(tài)環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計國內(nèi)軌道車輛每年大約耗費涂料新造、翻修用量為2萬t，根據(jù)50%以上溶劑含量計算每年溶劑向大氣中排放量高達1萬t以上。在近年來我國打好污染防治環(huán)保攻堅戰(zhàn)背景下，嚴格控制VOC排放量，水性涂料以自身良好的透氣性、延展性、不易開裂、耐老化，不含苯及苯的衍生物類有機溶劑。本研究介紹了軌道車輛涂裝水性漆的技術特點、施工工藝、生產(chǎn)中可能遇到的問題與具體補救措施。

1 水性涂料配套體系

根據(jù)國外軌道交通行業(yè)的水性涂料目前應用現(xiàn)狀，能夠發(fā)現(xiàn)配套底漆一般運用改性水性環(huán)氧類涂料，包括聚酯類、聚氨酯類、丙烯酸類，水性底色漆所用包括丙烯酸類、聚氨酯類，有高達50%~60%的施工固體分。結合本文軌道客車的實際運行環(huán)境和氣候條件情況，以溶劑型涂料在鐵路客車車體涂裝工藝為借鑒，運用現(xiàn)有涂改設施選擇水性涂料配套體系，如表1為軌道交通行業(yè)中得以廣泛應用的涂裝體系。

表1 水性涂料涂裝配套體系Tab.1 Water-based coating system

通過在車體側端墻面和車頂部，運用水性底色漆+清漆涂層體系，確保防腐基礎上有效增強車體的外皮色彩與整體光澤度，在底色漆可以選擇將云母粉、銀粉添加涂料中，能夠增強車體表面的閃光效果，并且極大地增強了車體的外表面質量。在車體的底部支架選擇水性底漆與環(huán)氧厚漿型涂層，這是由于水性環(huán)氧厚漿漆涂抹的韌性較強，能夠增強對車體的底部抗沙石撞擊打能力與防腐性能。在車體內(nèi)部運用水性底漆和水性阻尼涂料體系，可以明顯增強車體的防腐與隔音降噪能力。

2 涂裝工藝

2.1 涂裝工藝流程

圖1為水性涂料在使用中的涂裝工藝流程圖。

圖1 水性涂料的涂裝工藝流程圖Fig.1 Coating process flowchart of waterborne coating

2.2 涂裝技術要求

在使用水性涂料進行涂裝中，需要達到以下技術要求：

（1）在噴砂工序中，粗糙度技術規(guī)定范圍控制為3.2~12.5 μm；

（2）在水性環(huán)氧底漆涂裝工序中，主劑和固化劑的配比要控制為2∶1；濕膜厚度控制范圍為170~180 μm；干膜厚度控制范圍為80 μm以上。固化時第一種方法為3 h，60℃冷卻至正常室溫，第二種方法為16 h室溫條件下固化；

（3）在水性環(huán)氧厚漿漆工序中，主劑和固化劑配比要控制為2∶1；進行2遍噴涂，保證每一遍噴涂濕膜厚度控制范圍為150~180 μm；干膜厚度控制范圍為150 μm以上；固化方法與上相同；

（4）在水性聚氨酯噴涂工序中，主劑和固化劑配比要控制為8∶1；進行2遍噴涂，保證每一遍噴涂濕膜厚度控制范圍為80~100 μm；總干膜的厚度控制范圍為70~80 μm；固化時第一種方法為2h，60℃冷卻至正常室溫，第二種方法為16 h室溫條件下固化；

（5）在水性聚氨酯底色漆工序中，主劑和固化劑配比要控制為100∶4；濕膜厚度控制范圍為40~60 μm；總干膜的厚度控制范圍為20~30 μm；固化時第一種方法為30 min，40℃冷卻至正常室溫，第二種方法為1 h室溫條件下固化；

（6）在水性聚氨酯清漆工序中，主劑和固化劑配比要控制為2∶1；進行2遍噴涂，保證每一遍噴涂濕膜厚度控制范圍為40~60 μm；總干膜的厚度控制范圍為40~50 μm；固化時第一種方法為2 h，60℃冷卻至正常室溫，第二種方法為16 h室溫條件下固化。

3 施工特點

在水性涂料施工中所采用的施工方法，很大程度上取決水性涂料的具體組成，水性涂料中水作為主要稀釋劑，相較溶劑類涂料在施工工藝上有諸多差別之處。統(tǒng)計水和部分有機溶劑的部分物化特點如表2所示，能夠發(fā)現(xiàn)水有著較大的表面張力，在濕潤性方面較差，所以水性涂料極易出現(xiàn)表面縮孔、流掛等情況；水還擁有較大蒸發(fā)熱容值，想要水性涂料徹底干燥所需消耗能量更多，因此，在相同條件下，就需要更長的水性涂料干燥周期，也就進一步加劇了水性涂料發(fā)生流掛的特點。

表2 水和有機溶劑部分物化特性Tab.2 Partial physicochemical properties of water and organic solvents

3.1 作業(yè)環(huán)境

水性涂料和溶劑類涂料相同，在較高的施工環(huán)境溫度下，水性涂料也會在短時間內(nèi)揮發(fā)，在基材表面噴涂水性涂料，還未能充分將表面全部潤濕，就會造成涂膜的表面延展性、流平效果較差，并且表面還極易出現(xiàn)針孔、縮孔等情況，無法保證基材表面的涂膜美觀性。在低溫環(huán)境中可以減緩水性涂料的揮發(fā)速率，但是涂膜又極易發(fā)生流墜情況。對于此類水性涂料的應用現(xiàn)狀，可以添加不同沸點的溶劑，對揮發(fā)速率進行調(diào)整，例如：添加苯類、醇類溶劑，讓水性涂料的揮發(fā)過程出現(xiàn)階梯狀，這樣的話可以保證溶劑類涂料的最終涂膜流平效果。

因為水性涂料自然水作為溶劑主體，在一定涂抹環(huán)境條件下，水能夠達到相對固定的揮發(fā)速率，在添加其他溶劑時需要考慮水的相容性，這就要求要在一定程度上對水性涂料的噴涂溫度條件嚴格規(guī)定。水性涂料相較溶劑型涂料，在施工范圍方面可調(diào)整范圍比較狹窄，還要注意水性涂料的存放溫度條件，嚴禁溫度在0℃以下。

水的揮發(fā)速率密切相關所在的環(huán)境溫度和相對濕度條件，根據(jù)以往研究結果發(fā)現(xiàn)，在相對濕度一定條件下，隨著逐漸升高的水性涂料施工溫度，涂膜表現(xiàn)效果變好之后又變差。所以需要控制水性涂料的溫度范圍在20~27℃。同樣，如果所處空氣相對濕度較大，水的揮發(fā)速率較緩，這對于水性涂料的涂膜干燥反應來說十分不利，延長揮發(fā)時間必定會對涂膜鹽霧、老化等性能造成極大影響。反之如果所處空氣相對濕度較小，面對較快的揮發(fā)速率，同樣會對水性涂料的流平造成影響，進而無法保障涂膜的美觀性。根據(jù)以往研究結果表明，在溫度一定條件下，隨著相對濕度的逐漸增加，水性涂料的涂膜綜合性先好后差，需要控制濕度在30%~70%為適宜范圍。

3.2 涂料調(diào)配

因為多數(shù)水性涂料均選用雙組分涂料，再加上較高的水性涂料固含量，所以需要在涂裝之前完成調(diào)配，那么在調(diào)配中所要注意問題包括以下4點：

（1）水性涂料主劑因為長期放置發(fā)生表面結皮，其中部分顏料有所沉積，這是水性涂料常見情況，所以應當在涂裝之前充分攪拌涂料的主劑，保證主劑可以最大化分散，但要注意所用產(chǎn)品超過使用期限；

（2）在攪拌過程中可以逐漸加入固化劑，方便分散，能夠完成主劑、固化劑之間的初步固化反應，這樣的話能夠有效避免在局部發(fā)生過激反應，最終出現(xiàn)不均勻固化或大量氣泡的情況；

（3）因為水性涂料作為假塑性流體，流體的黏稠度與剪切率二者呈負相關，逐漸增加剪切率，相應的流體黏度隨之減少。此類假塑性流體所發(fā)生的流變行為又有關于流變路徑，與時間也存在依賴性，所以也可以稱作觸變性流體。那么水性涂料的黏度也就有關于具體的剪切速率與具體歷程?？紤]到以上特點，通過運用黏度杯對水性涂料的黏度進行測量不具備重現(xiàn)性，需要使用旋轉粘度計測量低剪切速率與高剪切速率中數(shù)據(jù)點流變曲線，從而給出流變行為的完整性?？紤]到水性涂料在涂裝現(xiàn)狀的技藝特點，并不能夠全部滿足旋轉粘度計的現(xiàn)狀測量，可以在涂裝中根據(jù)操作人員的噴涂經(jīng)驗，對加水量進行調(diào)整來完成水性涂料噴涂；

（4）去離子水pH控制，在對水性涂料進行調(diào)配中，應當將去離子水加入其中，盡可能避免偏酸性、偏堿性離子。在引入酸性、堿性物質之后，會很大程度上對水性涂料的乳膠狀態(tài)造成較大影響，降低涂膜流平與填充性，甚至會對固化反應造成影響。硫酸離子引入水性涂料影響如圖2所示。

圖2 硫酸離子引入水性涂料影響Fig.2 Influence of sulfuric acid ions on waterborne coatings

3.3 噴涂步驟

在水性涂料噴涂之前，一定要清洗噴涂設備，可以優(yōu)先選擇去離子水，之后再應用水星清洗劑，通常運用醚類水性清洗劑，最終使用去離子水完成水清洗。

首先，在表面預處理步驟。水性涂料相較溶劑型涂料，對噴涂前期的表面處理要求較高，鋁合金車體底材可以運用棕剛玉進行磨砂處理，控制磨砂粗糙度范圍在Ra3.2~12.5 μm之間。利用低水溶性相對分子質量有機溶劑清洗被涂表面油污和其他污染物，然后用水清洗后用干凈擦布擦干表面；

其次，在水性底漆噴涂步驟。可以選用溶劑型環(huán)氧底漆噴涂方法，可是要確保這個噴涂過程必須一次性完成，也就是車體一端至另一端，完成連續(xù)噴涂。假若涂膜并未滿足這一技術要求，就要在第一遍噴涂徹底完成之后進行二次噴涂，直至達到涂膜技術要求。利用這一方法能夠避免間斷噴涂中發(fā)生涂層表面漆渣情況；

再者，在膩子和中涂步驟。涂裝膩子需要填補、找平，水性涂料體系內(nèi)目前常用不飽和聚酯膩子，在涂裝中的操作工藝相同于溶劑型涂料體系。中涂則是為了對底漆和膩子兩層的保護銜接作用，由于水性涂料有著較大的表面張力，所以需要首先對膩子表面完成中涂操作，最大化浸入水性涂料，從而有效消除膩子表面缺陷情況。再加上膩子層的吸水性，可以通過虛噴有效濕潤膩子表面，從而避免水性內(nèi)涂料噴涂中出現(xiàn)吃漆甚至縮孔問題。所以水性中涂步驟，可以少量多次地薄噴，這樣的中涂操作方法能夠保證表面狀態(tài)良好，使用P400號砂紙打磨。

最后，在面漆操作步驟。通常水性面漆會選用水性底色漆+清漆這樣的涂層體系，選用雙組分丙烯酸聚氨酯涂料，TDI、HDI固體劑，一定要密封保存固體劑。水性底色漆、清漆在噴涂中極易發(fā)生流掛、未流平情況，所以要對水性涂料黏度、濕膜厚度和噴涂的遍數(shù)反復確認無誤，通常車體噴涂水性中涂與面漆噴涂前，均需要一名有豐富經(jīng)驗的操作者試槍噴涂。在噴涂過程中一定要重視兩方面，一方面是水性底色漆固含量較高，不利于分散，所以在噴涂中需要盡可能薄噴，也就是遮蓋前道涂層，否則會在涂膜表面造成顏料堆積形成小顆粒的情況。如果噴涂厚度過大，涂膜表面就極易發(fā)花，在噴涂珠光底色漆時就會比較嚴重。另一方面是水性清漆并不包含顏料，自然無需考慮分散問題，所以應當確保涂膜具備良好流平性。

4 水性涂料涂裝使用中遇到問題及解決措施

（1）在對軌道裝車涂層進行前處理中，水性涂料的溶劑表面能力可達72 mN/m，與溶劑涂料25 mN/m的表面能力相較明顯更高，因此水性涂料的應用潤濕效果就會比溶劑涂料差。那么應用于軌道車輛的光滑鋁合金表面，也就無法達到“潤濕”效果，在前處理之后車體表面假若沾有油脂類雜質，也極易造成涂層縮孔情況。因此需要在涂裝前期對軌道車輛進行打砂處理，保證水性涂料能夠和車輛表面的附著力較好。

（2）在調(diào)配水性涂料階段，由于水性漆的較大觸變性，極易產(chǎn)生剪切力影響，所以需要注意在調(diào)配階段的速度適中，如果攪拌速度過快會對整體性能造成影響，甚至會導致軌道車輛涂層失敗。所以對起動攪拌器的攪拌速度要嚴格控制，加入固化劑的同時勻速攪拌，直至攪拌均勻之后加入去離子水進行稀釋。以目前軌道車輛加入使用前的驗證規(guī)定，要對去離子水的添加量嚴格控制，可以參考黏度杯（T-4）完成定量，依據(jù)軌道車輛的涂層質量，對去離子水的加入量不斷調(diào)整，保證水性涂料的涂層性能。

（3）水性涂料使用階段。完成水性涂料的基料和固化劑之后，除了體系內(nèi)會發(fā)生多元醇與異氰酸酯反應作用，異氰酸酯和水之間也就自然發(fā)生反應。隨著反應時間的逐漸延長，隨之擴大異氰酸酯的無效消耗用量，相應的也會降低涂層交聯(lián)度，破壞漆膜的整體性能。這時在水性漆的外觀上并未發(fā)生明顯變化，假若依然選用過期的水性涂料，就會造成涂層不干、耐溶劑性能較差、附著力不強等涂層不穩(wěn)定情況。

（4）水性涂料使用環(huán)境。由于水性涂料以去離子水為溶劑，水本身有較大的表面張力，涂裝表面的濕潤性較差，所致水性漆極易發(fā)生流掛、縮孔、“痱子”等情況。再加上水蒸發(fā)熱這一特性，與溶劑涂料相比明顯更大，那么同樣條件下水就需要更久的揮發(fā)時間，這個長時間揮發(fā)過程自然對水性漆干燥產(chǎn)生較大影響。所以水性涂料在使用過程中，需要對環(huán)境條件嚴格控制在15~30℃的溫度，30%~80%的相對濕度，0.5 m/s以內(nèi)的噴漆室內(nèi)風速，并且因為水性漆的水分揮發(fā)速度較緩，需要在完成噴涂之后，流平半小時置于60℃下烘烤2 h。

5 結語

總而言之，水性涂料相較傳統(tǒng)溶劑型涂料，具備了美觀、安全、環(huán)保的工藝優(yōu)勢，可以滿足軌道車輛的涂裝使用需求?？墒切枰⒁庠谲壍儡囕v涂裝所用環(huán)保水性涂料過程中的一系列問題，嚴格遵循相關工藝標準規(guī)定，在作業(yè)環(huán)境、涂料調(diào)配、噴涂步驟等方面，要注意打砂處理、調(diào)整去離子水的加入量、嚴格控制水性涂料的基料與固化劑混用后的使用時間、噴涂環(huán)境，保證軌道車輛的涂裝施工質量，發(fā)揮水性涂料的產(chǎn)品質量，嚴格把控施工參數(shù)，實現(xiàn)減少VOC排放的環(huán)保目標。