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嘉峪檢測網 2022-09-27 23:34
轉向架是高速動車組列車最重要的組件之一，采用有機涂料涂層進行防護是提高轉向架服役可靠性的重要方法。高速動車組運行最高時速可達350km/h，且運行環境復雜多變，轉向架是除車輪外距離軌道和地面最近的部件，其運行環境更加潮濕，車輛運行過程中帶起的碎石等雜物也會對轉向架表面涂層造成一定的破壞。針對苛刻的運行環境，在涂層體系設計時，不僅要考慮到耐鹽霧性和耐高低溫循環交變要求的防護性能，同時還需兼顧抗石擊碎裂性和附著力等機械性能。
轉向架傳統涂裝大多采用溶劑型涂料，采用水性涂料代替溶劑型涂料成為發展趨勢。但是水性涂料以水作為分散介質，導致其在施工性能、防護性能和機械性能等方面與溶劑型涂料存在差距，在施工過程中，易出現厚涂易流掛、開裂等問題，在后期防護過程中常發生銹蝕和涂層剝離等弊病，這都對水性涂料在轉向架上的應用提出了挑戰。
此外，在目前高速動車組轉向架常規的施工工藝中，一般先涂裝60~70μm的底漆，烘烤干燥后，經過打磨再涂裝130~170μm的面漆（在軌道交通行業也被稱作“重防腐涂料”），再次經過烘烤干燥后最終達到的干膜厚度約為200μm，現有高速動車組轉向架用涂料與涂裝施工周期較長且烘烤干燥能耗較大。
本文針對高速動車組轉向架用涂料的施工特性，研制可一次涂裝就能達到轉向架涂裝要求厚度的水性涂料，并進行耐鹽霧性、耐高低溫循環交變試驗、抗石擊碎裂性等性能測試。
1 實驗部分
1.1原材料
水性環氧乳液D.E.R.900：Olin；水性環氧分散體EP386w/52WA：Allnex；水性環氧分散體EPI-REZ3540-WY-55：Hexion；鈦白粉Ti-PureR-900：科慕；分散劑DispexUltraPA4560、潤濕劑DispexUltraFA4425：Basf；消泡劑Airex902W：Tego；流平劑BorchiGolLA200：OMG；流變劑HEUR-C：進口；木質纖維ExilvaF01-V：Lehvoss；膨潤土-A：市售；防閃銹劑Raybo60：Raybo；水性多元胺加成物樹脂VEH2849w-80WA：Allnex；玻璃鱗片AIR60：廊坊天拓公司；硅烷偶聯劑KH560：DowCorning。以上原料均為工業級。
1.2實驗設備
高速分散機Omega60、砂磨機LabStar：耐馳（上海）機械儀器有限公司；鹽霧箱Q-Fog：Q-Lab公司；高低溫濕熱交變試驗箱YP-HW-100L：東莞市一品儀器設備有限公司；全自動數字顯示拉拔式附著力測試儀PosiTestAT-A：DeFelsko；黏度計KU-2：Brookfield；流掛儀：標格達精密儀器（廣州）有限公司；電子天平：梅特勒-托利多；空氣噴槍Jet5000：Sata。
1.3水性涂料的制備
1.3.1主劑的制備
按表1配方，在不銹鋼分散罐中加入去離子水和水性環氧樹脂，在攪拌條件下依次加入消泡劑、潤濕劑、分散劑，攪拌3min；提高轉速，依次加入顏料和填料，高速分散15min，然后研磨至細度≤30μm；降低轉速，依次加入消泡劑、流平劑、防閃銹劑、流變劑，攪拌15min，采用100目濾網過濾。
表1 轉向架用水性涂料基本組成
1.3.2 固化劑的制備
在攪拌情況下，依次將多元胺加成物樹脂、去離子水加入到調漆容器中，混合均勻，過濾后備用。
1.3.3 改性玻璃鱗片的制備
用硅烷偶聯劑KH-560對玻璃鱗片進行改性處理，使其表面帶有環氧基團，更有利于在含有環氧樹脂的主劑中穩定存在，具體步驟為：將玻璃鱗片加入到硅烷偶聯劑KH-560質量分數為5%的水溶液中，在50℃恒溫水浴中放置24h，取出水洗并充分干燥。
1.3.4 涂層的制備
主劑和固化劑采用機械攪拌混合均勻，加入適量去離子水稀釋至黏度為30~50s（DIN6流出杯）后噴涂施工，于經砂紙打磨和清潔處理后的鋼板表面，流平15min后，在80℃下烘烤60min，涂層厚度為（200±20）μm。
1.4性能測試
按照GB/T5210—2006測試涂層拉開法附著力；按照Q/CR546.6—2016附錄A中規定的落砂式石擊試驗方法測試涂層抗石擊碎裂性，沖擊粒子為GB/T6170—2000規定的8級M61型六角螺母，總量為1kg；按照GB/T1771—2007進行耐鹽霧性測試，測試時間為1000h，采用ISO4628-2涂膜起泡等級評價、ISO4628-3涂膜銹蝕等級評價對經過鹽霧測試之后的涂層進行評判；按照QCR546.4—2016進行冷熱循環交變試驗，測試條件為：（80±2）℃、相對濕度（95±5）%，保持4h，以1℃/min的變溫速率降至−40℃，在（-40±2）℃下保持4h，以1℃/min的變溫速率升至80℃、相對濕度為95%，以上為1周期，測試時間為60周期，采用ISO4628-2涂膜起泡等級評價對經過冷熱循環交變的涂層進行評判。
2 結果與討論
2.1環氧乳液類型對涂層機械性能的影響
本文選用的3種類型環氧樹脂的理化指標如表2所示。
表2 水性環氧樹脂的理化指標
2.1.1附著力
采用3種不同類型的環氧樹脂分別制備了水性涂料，又將不同類型的環氧樹脂以質量比1∶1進行復配，交叉組合制備出另外3種水性涂料，將這6種樹脂分別編號為1（D.E.R.900），2（EP386w/52WA），3（EPI-REZ3540-WY-55），4（D.E.R.900和EP386w/52WA復配），5（D.E.R.900和EPI-REZ3540-WY-55復配）和6（EP386w/52WA和EPI-REZ3540-WY-55復配）。為平行比較，在6組配方中，環氧樹脂和固化劑樹脂的固體分與顏基比保持一致，并且環氧基團與固化劑中活潑氫的摩爾比也保持一致。將上述制備的6種水性涂料噴涂于噴砂鋼板上，固化成膜，測試附著力，數據如表3所示，各編號樣板拉開的斷裂界面如圖1所示。
表3 采用不同類型環氧樹脂制備的涂層的附著強度
圖1 采用不同類型環氧樹脂制備的涂層的附著強度
高速動車組轉向架用涂料中，附著力的一般要求為≥5MPa，從表3可以看出，只有樹脂編號3和6兩組附著力達不到要求，分析主要原因為環氧樹脂的環氧當量大，環氧基團少，交聯密度低。
2.1.2 抗石擊碎裂性
6種水性涂料的抗石擊碎裂性測試結果如表4所示。
表4 環氧樹脂對涂層抗石擊碎裂性的影響
軌道交通車輛行業中，對轉向架涂料抗石擊碎裂性的一般要求為涂層破損數量等級≤3級，涂層破損大小等級≤M級，從表4可以看出，編號1、3和5三組涂層抗石擊碎裂性達不到要求，分析原因為水性環氧乳液D.E.R.900環氧當量小，交聯密度高，柔韌性不足，涂層呈現出脆性特征，在受到螺母的快速沖擊時，涂層破損數量等級高；水性環氧分散體EPIREZ3540-WY-55交聯密度低，涂層附著力較弱，在受到螺母的快速沖擊時，涂層破損大小等級高。
綜合以上研究可以看出：由D.E.R.900制備涂層雖然附著強度較高，但脆性過大，抗石擊碎裂性無法滿足；由EPI-REZ3540-WY-55制備的涂層雖然韌性較好，但交聯密度過低，附著力無法滿足；由EP386w/52WA制備的涂層能滿足附著力與柔韌性要求。但實驗發現用D.E.R.900與EP386w/52WA復配時，制備的涂層兼具大分子環氧與小分子環氧的特點，附著力、抗石擊碎裂表現最佳，更適用于制備高速動車組轉向架用水性涂料。
2.2 硅烷改性玻璃鱗片對涂層防護性能的影響
2.2.1耐鹽霧性
改變硅烷改性玻璃鱗片的加入量分別制備不同顏基比的水性涂料，涂層的耐鹽霧性（1000h）測試結果如表5所示，樣板狀態如圖2所示。
表5 不同顏基比對涂層耐鹽霧性的影響
圖2 顏基比對涂層耐鹽霧性的影響
從表5和圖2可以看出經過1000h耐鹽霧試驗后，只有顏基比為1.0∶1.0的樣品滿足板面無起泡、不生銹，劃痕處銹蝕寬度≤2mm（單向），劃格試驗≤1級的要求。
2.2.2 冷熱循環交變試驗
不同顏基比時，按照QCR546.4—2016進行冷熱循環交變試驗（60周期），測試結果如表6所示。
表6 不同顏基比時涂層的冷熱循環交變試驗結果
從測試結果可以看出，顏基比為1.0∶1.0時，耐鹽霧性與冷熱循環交變試驗都表現最佳，當顏基比低于1.0∶1.0時，涂層中的硅烷改性玻璃鱗片過少，難以發揮屏蔽作用，在1000h耐鹽霧測試過程中，水分會滲透到涂層和基材之間，導致起泡；當顏基比高于1.0∶1.0時，涂層中的硅烷改性玻璃鱗片過多，樹脂不能在玻璃鱗片之間有效填充黏結，屏蔽作用反而會隨著填料的增加而減弱，同時樹脂量減少使得黏結強度降低，水分更容易滲透到涂層和基材之間，導致有大泡出現。
2.3 流變劑類型對施工性能的影響
水性涂料流變劑可以分為無機、有機兩大類。目前蒙脫石、海泡石、凹凸棒石是在水性涂料中應用最為廣泛的無機流變劑；有機流變劑主要分為非締合型與締合型兩類，非締合型流變劑有羥乙基纖維素（HEC）、堿溶脹丙烯酸系乳液（ASE）；締合型流變劑有疏水改性羥乙基纖維素（HMHEC）、疏水改性堿溶脹丙烯酸系乳液（HASE）、疏水改性聚氨酯（HEUR）等。
由于在水性涂料體系中HEC型流變劑容易受到霉菌侵蝕發生水解失效；ASE型流變劑對于涂料中的電解質比較敏感，耐水性、耐堿性差，故不做選擇。本文選用新型流變劑木質纖維ExilvaF01-V與無機流變劑膨潤土-A、疏水改性聚氨酯HEUR-C進行對比。木質纖維ExilvaF01-V的結構式如式（1）所示。
制備3組水性涂料，配方中的流變劑分別為0.5%的ExilvaF01-V、HEUR-C、膨潤土-A。其在稀釋后的施工狀態下的流變相關測試數據如表7所示。
表7 流變劑對涂料在施工狀態流變性的影響
從表7中可以看出，在流出杯黏度基本相當的情況下，采用流變劑HEUR-C制備的水性涂料的中、高剪切速率下黏度最高，依據經驗ICI黏度超過0.9會存在噴涂霧化不良問題，采用ExilvaF01-V和膨潤土-A制備的水性涂料中、高剪切速率黏度相對較低，具有優良的噴涂霧化性。
上述3種水性涂料在噴砂鋼板表面涂層狀態如圖3所示。
圖3 不同流變劑制備的涂料厚涂條件下的涂層狀態
從圖3可以看出，采用流變助劑ExilvaF01-V制備的涂層表面無顆粒、針孔、氣泡、皺紋，狀態良好；采用流變劑HEUR-C制備的涂層表面有明顯開裂；采用膨潤土-A制備的涂層，表面有大面積流墜。分析原因為ExilvaF01-V微纖維比表面積大，且表面富含羥基，使其有非常好的保水性，從而延長涂層表面開放時間，使涂層底部和表層干燥同步，減少引起開裂的應力，另一方面，ExilvaF01-V微纖維在濕膜狀態下，可形成網狀結構，具有較強的假塑性，防止流掛出現。
通過實際噴涂涂層外觀狀態對比，選擇ExilvaF01-V微纖維作為流變劑，在滿足一次涂裝厚度達200μm的條件下，涂層表面狀態良好，適用于制備轉向架用水性涂料。
2.4 水性涂料的性能指標與施工應用
本研究制備的高速動車組轉向架用水性涂料性能指標滿足中國鐵路總公司企業標準Q/CR546.4—2016《動車組用涂料與涂裝轉向架用涂料及涂層體系》規定的動車組轉向架防護涂層用涂料及配套涂層體系的技術要求，在干膜總厚度為（200±20）μm時，主要性能檢測結果如表8所示。
表8 高速動車組轉向架用水性涂料主要性能檢測結果
施工結束后測試了涂層的劃格法附著力、光澤、色差、外觀等常規性能，各項指標均達到要求，涂膜表面平整，無流掛、開裂、氣泡、針孔等弊病，施工效果優異。
3 結語
采用高低環氧當量復配樹脂作為成膜物質，以硅烷改性玻璃鱗片為防腐填料，選用微纖維化的木質纖維為流變劑，并添加其他功能性助劑等原材料，制備的水性涂料在鋼鐵基材上耐鹽霧性超過1000h，拉開法附著力大于5MPa，抗石擊碎裂2級，滿足Q/CR546.4—2016《動車組用涂料與涂裝轉向架用涂料及涂層體系》標準要求，可替代目前普遍采用的溶劑型涂料。同時，在實際應用過程中，按照現有施工條件，能夠進行正常噴涂，一次涂裝厚度可達200μm以上，得到理想的涂膜效果，與目前軌道交通行業普遍采用的底漆加面漆兩次涂裝才能滿足厚度要求的傳統涂裝相比縮短了施工周期、提高了生產效率、降低了干燥烘烤能耗，滿足軌道交通車輛行業綠色涂裝要求。
來源：涂料工業
