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铁路货车用水性厚浆底面合一涂料的制备及其性能研究

来源:未知 作者:admin 时间:2020-01-23 点击:
导读:以改性水性树脂为主要成膜物,通过添加高性能环境友好型防锈颜料、有机缓蚀剂和其他功能性助剂,制备了一种水性厚浆底面合一涂料。探讨了防锈颜料、有机缓蚀剂和其他功能性助剂对涂料及涂膜性能的影响。结果表明:实验制备的水性厚浆底面合一涂料防腐性能优异、机械性
铁路货车用水性厚浆底面合一涂料的制备及其性能研究
刘伟振,殷晓宇,韩 康,王维强
(石家庄市油漆厂,石家庄 050051)

0 前 言
2018–2020年,铁路总公司计划购置铁路货车21.6万辆,铁路货车用涂料迎来了发展的大机遇。据文献资料显示,我国铁路货车保有量在2018年已达到89万辆。此外,每年在货车的新造和检修中,大约需要3万t涂料。目前,铁路货车涂装使用的涂料大部分还是挥发性有机化合物(VOC)含量较高的传统中低固体分溶剂型涂料,在涂料的生产和使用过程中,这些VOC排放到空气中,参与大气的光化学反应,对大气造成了污染。随着国家环保法规的日益严格以及人们环保意识的不断增强,2019年铁路货车涂装的水性化将全面展开。因此,研究开发符合市场需求的水性厚浆型涂料刻不容缓。

2007年水性涂料开始在一些货车车型上试用,并且试验车型逐渐扩大,经过几年的运行考验,铁路货车涂料的水性化技术已日臻成熟[3-5]。本文研制的水性厚浆底面合一涂料以改性水性树脂为主要成膜物,辅以高性能环境友好型复合防锈颜料和功能助剂,干燥速度快,初期耐水好,机械性能和耐盐雾性能优异,在铁路货车车体或配件表面一次涂装干膜厚度可达100~120 μm,满足货车涂装要求,可有效解决铁路货车涂装周期较长的难题。

1 实验部分
1.1 主要原材料
改性水性树脂,日本;中和剂,巴斯夫;分散剂、润湿剂、流变助剂,毕克;消泡剂,赢创;防沉剂,海名斯–德谦;有机改性磷酸锌铝钼水合物,德国;磷酸锌、有机缓蚀剂,法国;绢云母粉,安徽滁州。

1.2 主要仪器设备
GFJ-04高速分散机,上海现代环境工程技术有限公司;QSMⅡ型砂磨机,天津市精科联材料试验机有限公司;JJ224BC型电子天平,常熟双杰测试仪器厂;QAG涂膜流挂仪,天津永利达材料试验机有限公司;101-A电热鼓风干燥箱,天津市泰斯特仪器有限公司;CTH-SG7525-02F通用型高低温湿热试验箱、BGD881盐雾腐蚀试验箱,广州标格达实验仪器用品有限公司;UVTEST11W紫外老化试验箱,美国阿特拉斯。

1.3 基础配方
水性厚浆底面合一涂料的基础配方见表1。
水性厚浆底面合一漆基础配方 Table 1 Basic Formula of Waterborne Mastic  Primer-topcoat Coatings
1.4 水性厚浆底面合一涂料的制备
按表1配方称料,将改性水性树脂加入调漆罐中,500 r/min转速下依次缓慢加入配方量的中和剂、分散剂、消泡剂和适量的去离子水,继续搅拌3~5 min,得均匀分散液;在上述分散液中边搅拌边加入颜填料及防沉剂,加毕,1 500 r/min转速下搅拌10~20 min,研磨至细度≤45 μm;然后在800 r/min转速搅拌下,缓慢加入润湿剂、流平剂、防锈剂、防闪锈剂、流变助剂和配方中剩余的去离子水,继续搅拌5~10 min,得均匀漆浆,用160目绢布过滤,包装备用。

1.5 样板的制备
涂装前应清除基材表面的油脂、锈蚀和氧化皮等,达到GB/T 8923.1—2011中规定的Sa 2.5级的要求,表面粗糙度控制在30~80 μm范围内。喷漆前去除干净表面砂粒、尘土等杂质。按GB/T 1727—1992中6.2喷涂法制备样板。检测耐盐雾、耐人工加速老化性能时,干膜厚度为(110±10) μm,检测其他项目干膜厚度为(45±5) μm。耐盐雾、耐人工加速老化性能样板在GB/T 9278—1998规定的温度和湿度下干燥14 d后进行测定,其他性能在干燥7 d后进行测定。

1.6 技术指标及测试结果
根据原铁道部印发的TJ/CL 252.2—2012《铁路货车用水溶性油漆(底面合一)技术条件(暂行)》,对产品各项性能进行检测,其结果如表2所示。
水性底面合一涂料性能指标及检测结果 Table 2 Performance Indicators and Test Results of Waterborne Mastic Primer-topcoat Coatings
2 实验结果与讨论
2.1 基体树脂的选择
目前铁路货车涂装以单组分自干型涂料为主,本实验选取了几种工业涂料常用的水性树脂:水性醇酸树脂(1#,同德)、水性环氧酯树脂(2#,湾厦)、水性丙烯酸树脂乳液(3#,陶氏)、改性水性树脂(4#,日本),根据基础配方制漆,并按标准TJ/CL 252.2—2012要求对涂层进行检测,对比分析了不同树脂体系对涂层干性、初期耐水性和耐盐雾性能的影响,结果见表3。
不同树脂体系对涂层耐性的影响 Table 3 Effects of Different Resin Systems on the Resistance of Coatings
由表3可知,水性醇酸树脂体系1#和水性环氧酯树脂体系2#防腐性能较好,但因其干燥速度慢,初期耐水差,不能满足铁路货车涂装的流水线作业要求;水性丙烯酸树脂体系3#干燥速度快,初期耐水好,适合流水线作业,但其耐盐雾性能较差,不能满足货车涂料的耐盐雾性能要求;改性水性树脂体系4#干燥速度快,初期耐水性好,防腐性能优异,可满足铁路货车涂料的性能要求和涂装施工要求。本实验选取改性水性树脂(4#)作为水性厚浆底面合一涂料的主要成膜物质,该树脂是一种改性高分子环氧树脂,其防腐性能好,干燥速度快,初期耐水性好,可满足货车涂料高防腐、易施工的要求。

2.2 防锈体系的选择
本实验选用磷酸锌、有机改性磷酸锌铝钼水合物复配组成防锈体系1#, 磷酸锌、有机改性磷酸锌铝钼水合物、有机缓释剂复配组成防锈体系2#来评价涂膜的防腐性能和耐水性能,并与传统铬系颜料与磷酸锌组成的防锈体系3#进行对比,实验结果见表4。
不同树脂体系对涂层耐性的影响 Table 3 Effects of Different Resin Systems on the Resistance of Coatings
由表4可知,选用磷酸锌、有机改性磷酸锌铝钼水合物和有机缓蚀剂复配组成的防锈体系2#时,可显著提高涂层的耐盐雾性能和耐水性能,且该体系不含重金属,在产品生产和应用中可有效避免重金属对环境的污染。对比防锈体系1#和防锈体系2#可知,有机缓蚀剂的添加对涂膜的耐盐雾性能和耐水性能均有显著提高。这是因为有机缓蚀剂的分子由极性和非极性两部分组成,极性基团可以牢固地吸附在金属基材的表面,非极性基团伸入涂层中,从而在涂层和基材之间形成一层致密的单分子定向吸附层,有效地阻滞水、氧等腐蚀介质的侵蚀,对金属基材的前期防腐起主要作用。磷酸盐类防锈颜料的防腐机理主要是磷酸根离子水解生成氢氧化锌和二代磷酸盐离子,其水解产物形成附着和阻蚀络合物,使金属基材表面磷化,形成在阳极范围内特别有效的保护层[6]。实验表明防锈体系2#的3种防锈剂之间存在协同效应,可显著提高涂层防腐性能。

2.3 触变体系的选择
水性涂料常用的增稠剂按其组分不同可分无机矿物类、聚丙烯酸酯类、聚氨酯类以及纤维素类。本实验选用触变性较强的有机改性锂蒙脱石黏土和流平性好、抗溅落性佳的缔合型聚氨酯类触变剂组成触变体系1#,对比单独使用无机矿物类触变体系2#和合成高分子类触变体系3#,考察不同触变体系对涂料性能的影响,结果见表5。
不同触变体系对涂料流平流挂及贮存性能的影响 Table 5 Effects of Different Thixotropic Systems on the Leveling, Sagging and Storage Properties of Coatings
由表5可知,触变体系对涂料的流平性、流挂性和热贮存稳定性都有比较大的影响。无机类触变体系2#的触变性较强,在静态贮存的低剪切状态下,对涂料的增稠效果显著。这是因为有机改性锂蒙脱石黏土是一种含水的层状铝硅酸盐矿物,其层间带有的负电荷可吸附水和有机极性基团等。当其在水中分散均匀以后,后继加入的改性水性树脂,其分子链中的羟基、醚键等极性基团被有机改性锂蒙脱石黏土层间负电荷所吸引,而插入层间形成有机改性锂蒙脱石黏土–有机聚合物网状立体结构,使有机改性锂蒙脱石黏土发生膨胀,从而使涂料的黏度增大,表现出良好的抗流挂性和贮存稳定性,但流平性较差,在本实验中不能单独使用。合成高分子类触变体系3#是缔合型聚氨酯类触变剂,该触变剂具有流平性好、抗溅落性好、对光泽影响小等优点,但单独使用时抗流挂性和热贮存稳定性不佳。本实验选用有机改性锂蒙脱石黏土和缔合型聚氨酯类触变剂组成触变体系1#,该体系兼有无机矿物类的强触变性和缔合型聚氨酯类的流平性,且贮存稳定性良好,厚涂性佳,可满足铁路货车的涂装要求。

2.4 涂料颜基比的确定
在色漆配方中,颜基比(P/B)是指颜料与基料的质量比,涂料的颜基比对涂层的耐水性能、耐盐雾性能、耐老化性能和机械性能等均有较大的影响。本实验通过设计不同的颜基比考察了其对涂层耐水性、耐盐雾性和耐人工加速老化性能的影响,结果见表6。
颜基比(P/B)对涂层耐水耐盐雾及耐老化性能的影响 Table 6 Effect of P/B Ratio on the Water and Salt Spray Resistance and Aging Resistance of Coatings
由表6可知,涂层的耐水性和耐盐雾性能和耐人工加速老化性能随P/B的增加均呈现出先增加后降低的趋势,这是因为P/B较低时,绝大部分颜填料均被树脂基料包裹,涂膜的性能主要由树脂决定,而高分子树脂材料一般均有一定的吸水溶胀性,从而导致涂膜耐水和耐人工加速老化时失光、变色。此外,由于防锈颜料在涂膜中的占比较低,且大部分被基体树脂包裹,其水解反应受限,不能有效地在金属基材表面形成完整致密的阻蚀层,导致涂膜耐盐雾性能不良;随着P/B的提高,颜填料在涂膜中的占比升高,涂膜本身的光泽下降,部分“裸露”的防锈颜料水解,其水解产物形成附着和阻蚀络合物对涂膜的附着力、耐水性和耐盐雾性能起促进作用,表现为涂膜耐水性和耐盐雾性能的显著提高;但当P/B过大时,树脂基料则不能对颜填料进行充分地润湿和分散,黏结作用受限,导致涂膜不连续、不致密,从而不能有效地阻滞水分子、氧等腐蚀介质的渗透,致使涂膜的耐水性、耐盐雾性能和耐人工加速老化性能下降。综上所得,将P/B设定在2.2时,涂层的综合性能最优,可满足货车涂料对厚浆涂料耐水、耐盐雾和耐人工加速老化等性能的要求。

3 结 语
(1)通过实验研究,以改性水性树脂为主要成膜物,添加磷酸锌、有机改性磷酸锌铝钼水合物、有机缓蚀剂和其他功能性助剂制备的铁路货车用水性厚浆底面合一涂料,各项性能均满足行业标准TJ/CL 252.1—2012的要求。
(2)制备的水性厚浆底面合一涂料以高性能环境友好型防锈颜料和有机缓蚀剂为防锈体系,防腐性能优异,可替代传统的铬系防锈颜料,对环境友好,VOC含量低,符合环境友好型涂料的要求。
(3)制备的水性厚浆底面合一涂料干燥速度快,初期耐水好,易施工,可满足铁路货车流水线涂装作业的要求。

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