多功能机车涂料的研制以高羟基聚酯丙烯酸树脂为基体树脂陈豪

多功能机车涂料的研制，以高羟基聚酯/丙烯酸树脂为基体树脂

0 引言

随着我国现代化轨道交通的快速发展，列车的行驶速度在不断提高，列车在常年行驶过程中，经常遭受各种恶劣环境侵袭考验，尤其是行驶在内蒙和西北高原上的电力机车，常常遭到寒流、冰雪、风沙袭击和强紫外线照射，这就对机车保护涂料的性能提出了更高的要求。

用于机车顶部的保护涂料，除应具有常规物化性能外，还应具有防滑性、电绝缘性、隔热性、弹缩性。涂膜的防滑性是为了保证机车维修人员行走安全；绝缘性是为了防止高压电流击穿；隔热性是为了夏季反射、辐射太阳光热；弹缩性是为了抵抗严寒和风沙冲击

进口机车防滑涂料一般为热塑性丙烯酸涂料，由于漆膜硬而脆，在严寒或风沙冲击下很容易开裂和损伤。本文制备的双组分机车顶部涂料，涂膜具有防滑性、抗电压击穿性、隔热性、抗风沙冲击性及防腐性等特点。

1 试验部分

1.1 原材料及基本配方

弹性聚酯、羟基丙烯酸树脂，三木集团；N- 75，拜耳公司；金红石型钛白粉R- 706，杜邦公司；绢云母粉、隔热粉、高岭土、硫酸钡、石英砂、纳米SiO2，国产；分散剂、消泡剂、防流挂剂，BYK 公司；催化剂、溶剂，市售；硅烷偶联剂，南京曙光。研制的双组分多功能机车涂料分中涂漆和面涂漆，2 种涂料配套使用涂刷于机车顶部外壁，基本配方见表1。

机车涂料基本配方

1.2 制备工艺

1）纳米SiO2 浆的制备：取适量基体树脂、高分子嵌段聚合物分散剂、溶剂、纳米SiO2，高速分散1 h，再反复研磨成细度小于100 nm 的浆料。

2）甲组分的制备：将混合树脂加入分散罐中，搅拌下加溶剂、各种助剂、纳米浆料、颜填料，高速分散1 h，经研磨细度达到20 μm，调整黏度至100 ～ 120 s 。制备面漆时最后再加石英砂，搅拌均匀。

3）乙组分N-75 单独包装。

1.3 性能检测

1）常规性能按相关国家标准进行检测。

2）按GB/T 25261—2010《建筑隔热涂料》检测太阳光反射率和半球发射率。

3）采用电火花检漏仪测试耐击穿电压。

4）抗风沙冲击性按GB 242337—1989 进行耐沙尘试验，另外还用喷砂机对试板进行喷砂试验。试验条件：钢板上涂膜厚度120 μm，喷砂机压力5 ～ 6 kg/m2，河沙粒径0.5 ～ 1.0 mm，时间10 min。

5）耐温差变化性按GB/T 9154—1998 进行测试。试样膜厚70 μm，先在-50 ℃下冷冻4 h，然后以1 ℃/min的速率将温度升至70 ℃，恒温4 h 为1 个周期，共试验20 个周期后，涂膜应无粉化、开裂、明显变色等现象。

2 结果与讨论

2.1 基体树脂对涂膜性能的影响

涂膜的附着力、耐磨性、弹缩性、耐电压击穿性、防滑性和耐介质性是机车顶部防滑涂料的重要指标，机车顶部涂层只有具备了上述6 项主要性能，才能在严酷的风沙环境中和上人维修踩蹋下免遭破坏，基体树脂的种类和用量是决定涂料性能的主要因素。在基本配方中基体树脂用量固定且其他因素不变的条件下，只改变基体树脂种类，考察对涂膜主要性能的影响，见表2。

不同树脂对涂膜性能的影响

由表2 可知，以丙烯酸/弹性聚酯/聚氨酯组成的基体树脂制备的涂料，其涂膜虽然伸长率略低于弹性聚酯/聚氨酯体系，但在附着力、耐磨性、耐冲击性、恢复率、耐温变性及抗压击穿性方面具有明显优势。其原因是：弹性聚酯/聚氨酯体系的涂膜柔性好，延伸率及恢复率高，耐冲击性强，耐温变、耐磨、电绝缘性好，但是耐紫外线老化性较差；羟基丙烯酸树脂/聚氨酯体系的涂膜耐紫外线老化性好、附着力强、硬度较高，但是耐磨、耐冲击、耐温变性较差。将弹性聚酯树脂和丙烯酸树脂以一定比例混配、再以N-75交联固化制备的涂膜，可取得二者优势互补的效果[1]。

本研究选定基体树脂为聚酯/丙烯酸/聚氨酯体系。在其他因素不变的条件下，弹性聚酯与丙烯酸树脂的混配比例对涂膜性能的影响见表3。

不同树脂的混配比对涂膜性能的影响

由表3 可知，在混配基料中，随着丙烯酸树脂掺配比例的提高，涂膜的附着力略有降低，抗拉强度逐渐提高，断裂伸长率相应下降，恢复率先升后降，当聚酯树脂与丙烯酸树脂的质量比为1.0 ∶ 0.3 时制备的涂料综合性能较好。

涂膜的物化性能和抗电压击穿性能与涂膜的交联密度密切相关。以含羟基的混合树脂为基料，以含异氰酸酯基的N-75 为固化剂配漆时，当nNCO ∶ nOH =1.0 ∶时，涂膜交联反应完全，形成的立体网状结构致密，断裂功和弹性模量高，防水防腐蚀性好，抗电压击穿性强。

2.2 颜填料的选择

机车防滑涂料因其使用部位的特殊性，要求涂膜不仅物化性能好且防滑，还应具有优异的抗电压击穿性，以确保机车行驶安全。因此，除了成膜物应具有绝缘性以外，颜填料也必须选用非导电无机粉料，并且粒径小、化学惰性强、对太阳光反射率高、遮盖率高、吸油吸水率低。金红石型钛白粉，粒径小、晶体结构稳定、遮盖力强、折光指数高、化学惰性强且不导电，当属首选白色颜料。

煅烧高岭土、硫酸钡、绢云母、石英砂均属无机矿物，具有吸油吸水率低、耐化学介质、不导电等特点。其中超细煅烧高岭土由于具有一定的遮盖力且廉价，在颜填料体系中可替代10％～20%的钛白粉；硫酸钡可增加涂膜的硬度和耐磨性；绢云母因在涂膜中呈层状排列，可提高涂膜的抗水、化学介质、氧气等的渗透性；石英砂硬质高、耐磨性好，常作地面涂料的耐磨防滑涂层[2]。

隔热粉是以反射红外波原理加工的高折射率白色颜料，是一种近红外线反射颜料和填料与反射热红外线的超细无机粉体混配而成的颜料体系[3]。虽然隔热粉具备机车涂料对颜填料要求的一般特性，但是由于内含部分陶瓷粉而具有弱导电性，不过当其分散在面漆涂膜中后，受绝缘树脂的包覆、非导电填料粒子的隔离、中涂漆绝缘层的阻断，因此对电压击穿性的影响并不大，添加隔热粉的目的是为了提高涂膜的太阳热反射隔热作用。

按基本配方制备的涂料为对照，再以上述颜填料按品种分别制备成涂料，并分别制备成干膜厚为500～ 600 μm 的试样，在试样干态和湿态条件下测试涂膜的抗电压击穿性，结果见表4。

不同颜填料制备的涂料抗电压击穿性比较

2.3 颜基比对涂膜性能的影响

颜基比的大小对涂膜性能的影响较大。如果涂料的颜基比小，涂膜内颜填料粒子被成膜物包覆层厚、粒子间距较大，不能形成毛细结构，则涂膜致密、抗介质渗透性强、断裂伸长率大、伸长变形能力强，但抗拉强度较低，断裂功较低；如果颜基比太大，涂膜中的成膜物不足以完全包覆所有颜填料粒子，形成的涂膜疏松，则物化性能低。在其他配方因素不变的条件下，不同颜基比对涂膜主要性能的影响见表5。

不同颜基比对涂膜性能的影响

由表5 可知，随着颜基比的减小，涂料中的成膜物相对增多，涂膜的附着力、断裂延伸率、恢复率、耐温变性相应提高，而抗拉强度逐渐减低，当颜基比为1.0 ∶1.0 时，涂膜的综合性能最好。

2.4 纳米SiO2 对涂膜性能的影响

纳米SiO2 分子呈三维链状结构，比表面积大，表面自由能高，表面因严重配位不足而存在着不饱和残键及不同状态的羟基，具有较高活性，能与—NCO 基反应形成大于范德华力的作用力，引发微裂纹，吸收能量的作用增强，可提高涂膜的贮存模量和热变形温度，纳米细粒子填充于涂膜中较粗粒子空隙中，形成吸附中心和物理交联点，大大提高了涂膜的致密度、拉伸强度、断裂伸长率、恢复率及附着力。

纳米SiO2 还具有极强的紫外线屏蔽作用，对UVA的屏蔽率达88%；对UVB的屏蔽率为85%；对UVC的屏蔽率在70％～ 80%范围内。因此，涂料中添加适量的纳米SiO2，可显著提高涂膜抗紫外线老化性，同时协同钛白粉和隔热粉提高涂膜的太阳光反射率和热发射率，提高涂膜的隔热性、耐沾污性和抗电压击穿性。纳米SiO2 掺量对涂膜主要性能的影响见表6。

纳米SiO2 掺量对涂膜性能的影响

由表6 可知，随着纳米SiO2 用量的增加，机车防滑涂料的附着力、抗拉强度、断裂伸长率、恢复率、耐磨性和耐人工老化性相应提高，当纳米SiO2 用量为3%时，涂膜的综合性能最好。

2.5 溶剂及助剂的选择

聚氨酯涂料用溶剂，除了考虑其溶解力、挥发速度、低毒性以外，还要避免采用易与—NCO 发生反应的醇类、醚醇类溶剂，且必须达到不含水分的“氨酯级”标准，酯类、酮类、芳烃类是聚氨酯涂料常用的溶剂。选择溶解度参数相近、挥发速率快、中、慢的酯类、芳烃类溶剂按平衡原则比列混配，使混合溶剂其蒸馏曲线应呈平稳上升的形状，应尽量使混合溶剂的气相组成和液相组成在环境温度下的挥发过程中始终保持一致，从而使残留溶剂具有良好的溶解力[4]。本涂料选择了二甲苯、丙二醇甲醚醋酸酯、醋酸丁酯按质量比3 ∶ 2 ∶ 2进行混配，效果良好。

为了提高颜填料在涂料中的分散稳定性，选择了BYK-110 作分散剂；为了消除涂料体系中的汽泡、降低涂膜缺陷，选用BYK-053 作消泡剂；为减少涂刷施工时的流挂性和贮存稳定性，选用了BYK-410 改性脲抗流挂剂；为了提高聚氨酯涂料的固化速度，选用了二月桂酸二丁锡作催化剂；另外还使用了少量吸水剂等。

2.6 性能指标

多功能机车涂料的性能见表7。

多功能机车涂料的性能

3 结语

1）基体树脂由弹性聚酯与羟基丙烯酸树脂以质量比为1.0 ∶ 0.3 混拼而成，以N-75 为交联固化剂，按nNCO ∶nOH=1.0 ∶配制中涂漆和面漆，涂层具有优异的附着力、耐磨性、弹缩性、耐电压击穿性和耐介质性。

2）颜填料选用化学惰性好、不导电、遮盖力高、吸油吸水率低的细粒径钛白粉、隔热粉、高岭土、硫酸钡、绢云母，石英砂作防滑面漆的骨料。当颜基比为1.0 ∶1.0 时，涂层的综合性能较好。

3）纳米SiO2 作改性剂，当在涂料配方中的用量为3%时，可明显提高涂层的物理化学性能。

4）混合溶剂以m 二甲苯:m 醋酸丁酯:m 丙二醇甲醚醋酸酯= 3 ∶2 ∶ 2 混配，可使机车涂料的物化性能获得理想的效果。

5）研制的机车中涂、面涂配套涂料，涂层除具有一般涂料的物化性能外，还具有抗风沙冲击性、隔热性、耐高低温变性、抗高压电击穿性和防滑性。

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