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轉(zhuǎn)向架是高速動(dòng)車組列車最重要的組件之一，采用有機(jī)涂料涂層進(jìn)行防護(hù)是提高轉(zhuǎn)向架服役可靠性的重要方法。高速動(dòng)車組運(yùn)行最高時(shí)速可達(dá)350km/h，且運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，轉(zhuǎn)向架是除車輪外距離軌道和地面最近的部件，其運(yùn)行環(huán)境更加潮濕，車輛運(yùn)行過(guò)程中帶起的碎石等雜物也會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向架表面涂層造成一定的破壞。針對(duì)苛刻的運(yùn)行環(huán)境，在涂層體系設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮到耐鹽霧性和耐高低溫循環(huán)交變要求的防護(hù)性能，同時(shí)還需兼顧抗石擊碎裂性和附著力等機(jī)械性能。

 

轉(zhuǎn)向架傳統(tǒng)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(fā)展趨勢(shì)。但是水性涂料以水作為分散介質(zhì)，導(dǎo)致其在施工性能、防護(hù)性能和機(jī)械性能等方面與溶劑型涂料存在差距，在施工過(guò)程中，易出現(xiàn)厚涂易流掛、開裂等問(wèn)題，在后期防護(hù)過(guò)程中常發(fā)生銹蝕和涂層剝離等弊病，這都對(duì)水性涂料在轉(zhuǎn)向架上的應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。

 

此外，在目前高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架常規(guī)的施工工藝中，一般先涂裝60~70μm的底漆，烘烤干燥后，經(jīng)過(guò)打磨再涂裝130~170μm的面漆（在軌道交通行業(yè)也被稱作“重防腐涂料”），再次經(jīng)過(guò)烘烤干燥后最終達(dá)到的干膜厚度約為200μm，現(xiàn)有高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架用涂料與涂裝施工周期較長(zhǎng)且烘烤干燥能耗較大。

 

本文針對(duì)高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架用涂料的施工特性，研制可一次涂裝就能達(dá)到轉(zhuǎn)向架涂裝要求厚度的水性涂料，并進(jìn)行耐鹽霧性、耐高低溫循環(huán)交變?cè)囼?yàn)、抗石擊碎裂性等性能測(cè)試。

 

1 實(shí)驗(yàn)部分

 

1.1原材料

 

水性環(huán)氧乳液D.E.R.900：Olin；水性環(huán)氧分散體EP386w/52WA：Allnex；水性環(huán)氧分散體EPI-REZ3540-WY-55：Hexion；鈦白粉Ti-PureR-900：科慕；分散劑DispexUltraPA4560、潤(rùn)濕劑DispexUltraFA4425：Basf；消泡劑Airex902W：Tego；流平劑BorchiGolLA200：OMG；流變劑HEUR-C：進(jìn)口；木質(zhì)纖維ExilvaF01-V：Lehvoss；膨潤(rùn)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(lián)劑KH560：DowCorning。以上原料均為工業(yè)級(jí)。

 

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

 

高速分散機(jī)Omega60、砂磨機(jī)LabStar：耐馳（上海）機(jī)械儀器有限公司；鹽霧箱Q-Fog：Q-Lab公司；高低溫濕熱交變?cè)囼?yàn)箱YP-HW-100L：東莞市一品儀器設(shè)備有限公司；全自動(dòng)數(shù)字顯示拉拔式附著力測(cè)試儀PosiTestAT-A：DeFelsko；黏度計(jì)KU-2：Brookfield；流掛儀：標(biāo)格達(dá)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(huán)氧樹脂，在攪拌條件下依次加入消泡劑、潤(rùn)濕劑、分散劑，攪拌3min；提高轉(zhuǎn)速，依次加入顏料和填料，高速分散15min，然后研磨至細(xì)度≤30μm；降低轉(zhuǎn)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(wǎng)過(guò)濾。

 

表1 轉(zhuǎn)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(diào)漆容器中，混合均勻，過(guò)濾后備用。

 

1.3.3 改性玻璃鱗片的制備

 

用硅烷偶聯(lián)劑KH-560對(duì)玻璃鱗片進(jìn)行改性處理，使其表面帶有環(huán)氧基團(tuán)，更有利于在含有環(huán)氧樹脂的主劑中穩(wěn)定存在，具體步驟為：將玻璃鱗片加入到硅烷偶聯(lián)劑KH-560質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jī)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(jīng)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(cè)試

 

按照GB/T5210—2006測(cè)試涂層拉開法附著力；按照Q/CR546.6—2016附錄A中規(guī)定的落砂式石擊試驗(yàn)方法測(cè)試涂層抗石擊碎裂性，沖擊粒子為GB/T6170—2000規(guī)定的8級(jí)M61型六角螺母，總量為1kg；按照GB/T1771—2007進(jìn)行耐鹽霧性測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為1000h，采用ISO4628-2涂膜起泡等級(jí)評(píng)價(jià)、ISO4628-3涂膜銹蝕等級(jí)評(píng)價(jià)對(duì)經(jīng)過(guò)鹽霧測(cè)試之后的涂層進(jìn)行評(píng)判；按照QCR546.4—2016進(jìn)行冷熱循環(huán)交變?cè)囼?yàn)，測(cè)試條件為：（80±2）℃、相對(duì)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(duì)濕度為95%，以上為1周期，測(cè)試時(shí)間為60周期，采用ISO4628-2涂膜起泡等級(jí)評(píng)價(jià)對(duì)經(jīng)過(guò)冷熱循環(huán)交變的涂層進(jìn)行評(píng)判。

 

2 結(jié)果與討論

 

2.1環(huán)氧乳液類型對(duì)涂層機(jī)械性能的影響

 

本文選用的3種類型環(huán)氧樹脂的理化指標(biāo)如表2所示。

 

表2 水性環(huán)氧樹脂的理化指標(biāo)

 

 

2.1.1附著力

 

采用3種不同類型的環(huán)氧樹脂分別制備了水性涂料，又將不同類型的環(huán)氧樹脂以質(zhì)量比1∶1進(jìn)行復(fù)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(hào)為1（D.E.R.900），2（EP386w/52WA），3（EPI-REZ3540-WY-55），4（D.E.R.900和EP386w/52WA復(fù)配），5（D.E.R.900和EPI-REZ3540-WY-55復(fù)配）和6（EP386w/52WA和EPI-REZ3540-WY-55復(fù)配）。為平行比較，在6組配方中，環(huán)氧樹脂和固化劑樹脂的固體分與顏基比保持一致，并且環(huán)氧基團(tuán)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(cè)試附著力，數(shù)據(jù)如表3所示，各編號(hào)樣板拉開的斷裂界面如圖1所示。

 

表3 采用不同類型環(huán)氧樹脂制備的涂層的附著強(qiáng)度

 

 

圖1 采用不同類型環(huán)氧樹脂制備的涂層的附著強(qiáng)度

 

高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)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(hào)3和6兩組附著力達(dá)不到要求，分析主要原因?yàn)榄h(huán)氧樹脂的環(huán)氧當(dāng)量大，環(huán)氧基團(tuán)少，交聯(lián)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(cè)試結(jié)果如表4所示。

 

表4 環(huán)氧樹脂對(duì)涂層抗石擊碎裂性的影響

 

 

軌道交通車輛行業(yè)中，對(duì)轉(zhuǎn)向架涂料抗石擊碎裂性的一般要求為涂層破損數(shù)量等級(jí)≤3級(jí)，涂層破損大小等級(jí)≤M級(jí)，從表4可以看出，編號(hào)1、3和5三組涂層抗石擊碎裂性達(dá)不到要求，分析原因?yàn)樗原h(huán)氧乳液D.E.R.900環(huán)氧當(dāng)量小，交聯(lián)密度高，柔韌性不足，涂層呈現(xiàn)出脆性特征，在受到螺母的快速?zèng)_擊時(shí)，涂層破損數(shù)量等級(jí)高；水性環(huán)氧分散體EPIREZ3540-WY-55交聯(lián)密度低，涂層附著力較弱，在受到螺母的快速?zèng)_擊時(shí)，涂層破損大小等級(jí)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(qiáng)度較高，但脆性過(guò)大，抗石擊碎裂性無(wú)法滿足；由EPI-REZ3540-WY-55制備的涂層雖然韌性較好，但交聯(lián)密度過(guò)低，附著力無(wú)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)用D.E.R.900與EP386w/52WA復(fù)配時(shí)，制備的涂層兼具大分子環(huán)氧與小分子環(huán)氧的特點(diǎn)，附著力、抗石擊碎裂表現(xiàn)最佳，更適用于制備高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架用水性涂料。

 

2.2 硅烷改性玻璃鱗片對(duì)涂層防護(hù)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(cè)試結(jié)果如表5所示，樣板狀態(tài)如圖2所示。

 

表5 不同顏基比對(duì)涂層耐鹽霧性的影響

 

 

圖2 顏基比對(duì)涂層耐鹽霧性的影響

 

從表5和圖2可以看出經(jīng)過(guò)1000h耐鹽霧試驗(yàn)后，只有顏基比為1.0∶1.0的樣品滿足板面無(wú)起泡、不生銹，劃痕處銹蝕寬度≤2mm（單向），劃格試驗(yàn)≤1級(jí)的要求。

 

2.2.2 冷熱循環(huán)交變?cè)囼?yàn)

 

不同顏基比時(shí)，按照QCR546.4—2016進(jìn)行冷熱循環(huán)交變?cè)囼?yàn)（60周期），測(cè)試結(jié)果如表6所示。

 

表6 不同顏基比時(shí)涂層的冷熱循環(huán)交變?cè)囼?yàn)結(jié)果

 

 

從測(cè)試結(jié)果可以看出，顏基比為1.0∶1.0時(shí)，耐鹽霧性與冷熱循環(huán)交變?cè)囼?yàn)都表現(xiàn)最佳，當(dāng)顏基比低于1.0∶1.0時(shí)，涂層中的硅烷改性玻璃鱗片過(guò)少，難以發(fā)揮屏蔽作用，在1000h耐鹽霧測(cè)試過(guò)程中，水分會(huì)滲透到涂層和基材之間，導(dǎo)致起泡；當(dāng)顏基比高于1.0∶1.0時(shí)，涂層中的硅烷改性玻璃鱗片過(guò)多，樹脂不能在玻璃鱗片之間有效填充黏結(jié)，屏蔽作用反而會(huì)隨著填料的增加而減弱，同時(shí)樹脂量減少使得黏結(jié)強(qiáng)度降低，水分更容易滲透到涂層和基材之間，導(dǎo)致有大泡出現(xiàn)。

 

2.3 流變劑類型對(duì)施工性能的影響

 

水性涂料流變劑可以分為無(wú)機(jī)、有機(jī)兩大類。目前蒙脫石、海泡石、凹凸棒石是在水性涂料中應(yīng)用最為廣泛的無(wú)機(jī)流變劑；有機(jī)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(fā)生水解失效；ASE型流變劑對(duì)于涂料中的電解質(zhì)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(zhì)纖維ExilvaF01-V與無(wú)機(jī)流變劑膨潤(rùn)土-A、疏水改性聚氨酯HEUR-C進(jìn)行對(duì)比。木質(zhì)纖維ExilvaF01-V的結(jié)構(gòu)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(rùn)土-A。其在稀釋后的施工狀態(tài)下的流變相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)如表7所示。

 

表7 流變劑對(duì)涂料在施工狀態(tài)流變性的影響

 

 

從表7中可以看出，在流出杯黏度基本相當(dāng)?shù)那闆r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(jù)經(jīng)驗(yàn)ICI黏度超過(guò)0.9會(huì)存在噴涂霧化不良問(wèn)題，采用ExilvaF01-V和膨潤(rùn)土-A制備的水性涂料中、高剪切速率黏度相對(duì)較低，具有優(yōu)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(tài)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(tài)

 

從圖3可以看出，采用流變助劑ExilvaF01-V制備的涂層表面無(wú)顆粒、針孔、氣泡、皺紋，狀態(tài)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(rùn)土-A制備的涂層，表面有大面積流墜。分析原因?yàn)镋xilvaF01-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(zhǎng)涂層表面開放時(shí)間，使涂層底部和表層干燥同步，減少引起開裂的應(yīng)力，另一方面，ExilvaF01-V微纖維在濕膜狀態(tài)下，可形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的假塑性，防止流掛出現(xiàn)。

 

通過(guò)實(shí)際噴涂涂層外觀狀態(tài)對(duì)比，選擇ExilvaF01-V微纖維作為流變劑，在滿足一次涂裝厚度達(dá)200μm的條件下，涂層表面狀態(tài)良好，適用于制備轉(zhuǎn)向架用水性涂料。

 

2.4 水性涂料的性能指標(biāo)與施工應(yīng)用

 

本研究制備的高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架用水性涂料性能指標(biāo)滿足中國(guó)鐵路總公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/CR546.4—2016《動(dòng)車組用涂料與涂裝轉(zhuǎn)向架用涂料及涂層體系》規(guī)定的動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架防護(hù)涂層用涂料及配套涂層體系的技術(shù)要求，在干膜總厚度為（200±20）μm時(shí)，主要性能檢測(cè)結(jié)果如表8所示。

 

表8 高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架用水性涂料主要性能檢測(cè)結(jié)果

 

 

施工結(jié)束后測(cè)試了涂層的劃格法附著力、光澤、色差、外觀等常規(guī)性能，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到要求，涂膜表面平整，無(wú)流掛、開裂、氣泡、針孔等弊病，施工效果優(yōu)異。

 

3 結(jié)語(yǔ)

 

采用高低環(huán)氧當(dāng)量復(fù)配樹脂作為成膜物質(zhì)，以硅烷改性玻璃鱗片為防腐填料，選用微纖維化的木質(zhì)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(guò)1000h，拉開法附著力大于5MPa，抗石擊碎裂2級(jí)，滿足Q/CR546.4—2016《動(dòng)車組用涂料與涂裝轉(zhuǎn)向架用涂料及涂層體系》標(biāo)準(zhǔn)要求，可替代目前普遍采用的溶劑型涂料。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，按照現(xiàn)有施工條件，能夠進(jìn)行正常噴涂，一次涂裝厚度可達(dá)200μm以上，得到理想的涂膜效果，與目前軌道交通行業(yè)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(tǒng)涂裝相比縮短了施工周期、提高了生產(chǎn)效率、降低了干燥烘烤能耗，滿足軌道交通車輛行業(yè)綠色涂裝要求。