浅析轨道车辆用水性涂料的过程控制

摘要：结合水性涂料在城轨车辆上的应用经验，系统的分析了水性涂料施工过程中表面处理、底漆干燥性、底漆层与腻子层附着力、面漆的调配和施工环境等因素的控制对涂装质量的影响，并提出适合于水性涂料的施工工艺和装备。

    关键词：水性涂料；表面处理；干燥；附着力；施工环境

    0 前言

    涂料在制造、施工、干燥、固化和成膜过程中向空气中散发的挥发性有机化合物(VOC)接近1000万t，占总排放总量的20%~25%，是仅次于汽车尾气的全球第二大大气污染源，且溶剂排到大气中后，会造成光化学污染，形成温室效应[1,2]，对人体健康和环境构成了严重的污染和威胁。为此，世界各国都制定了相应的环保法规，限制涂料中VOC的排放，如德国AT-Luft法规、美国的66法规、1994年的“欧盟指令”以及2008年加拿大的“建筑涂料挥发性有机化合物(VOC)浓度限量法规提案”等[3]；2001年我国颁布了室内装饰装修的两个强制性标准GB/18581和GB18582，是我国涂料工业第一次出现强制性标准，对其中的VOC、苯类、重金属、游离甲醛等有毒有害物质作出了限值规定。这些法律、法规的颁布促进了以水为溶剂涂料的快速发展。

    水性涂料以水为稀释剂，不含有苯、甲苯、二甲苯等机溶剂和有毒重金属，有着良好的附着力和耐化学性。当然水性涂料也有其自身弱点，如对工件表面前处理和施工环境要求高、干燥过程长、修补工艺复杂等，所以水性涂料性能的保证必须依靠施工过程的严格控制。

    1 表面处理

    金属表面涂刷的防护涂层通常是靠涂料分子与金属表面极性基团之间的范德华力相互吸引以及基料、颜料与金属铁之间的化学反应，使涂层紧密覆，达到保护金属的目的[4]。因此，涂装前表面处理应尽可能除去杂质，使金属裸露在表面，并达到一定的粗糙度，保证涂层与金属表面间具备足够的结合力以达到好的防护效果。

    金属表面处理方式主要有：喷砂、动力工具打磨、酸洗及磷化处理等。水的表面张力为72mN/m，远大于有机溶剂的表面张力25mN/m，所以水性涂料在金属基材上更容易形成圆形油滴，浸润性能差。目前喷砂被视为最适合铝合金材料的表面处理方式。车体喷砂处理后，提高了基材表面粗糙度和表面积，随着粗糙度和表面积的增大，涂层与基材表面的基础面积成倍增加，界面间的引力也增大，还为涂层附着提供了合适的表面形状，增加了机械齿合作用，有利于提高涂层附着力；涂层在固化过程中会产生较大的内应力，粗糙度的存在可以有效消除涂层中的应力集中，防止涂层开裂；同时表面粗糙度的存在可以支承一部分涂料的质量，有利于消除流挂现象，对于垂直涂装的表面，作用尤为明显。但表面如果过于粗糙，也会带来不利影响：与光滑表面相比，使用相同的涂料量，其涂层厚度降低，尤其是在波峰处，涂层厚度往往不足，造成涂层过早破坏；此外，粗糙度过大还会在涂装时截留空气，造成涂层起泡、脱落。实践验证证明：选用(24～40)目棕刚玉进行喷砂处理，粗糙度范围为(6～20)μm，清洁度达到Sa2，能够保证水性环氧底漆与基材间的良好附着力，如图1所示。

    2 水性环氧底漆的干燥

    水性环氧涂料的固化交联及其成膜过程是一个扩散控制的过程，主要包含4个过程：a.环涂料体系中水的蒸发；b.溶解在水中的活性固化剂粒子的聚结；c.以固化剂为活性中心的扩散；d.当成膜温度大于聚合物玻璃化转变温度时，固化剂与环氧树脂的交联反应[5]。

    从上述成膜过程中可以看出，水性涂料固化成膜过程涉及到水分的挥发与反应性基团发生交联固化的两个基本过程。当水的挥发速度快于固化速度时，涂膜中不含水分，形成连续、致密的漆膜；如果水的挥发速度小于固化速度，残余的水分和固化剂分子则处在环氧树脂分散相粒子的间隙处，导致漆膜交联密度低。底漆作为第一道涂层，其性能的好坏将直接影响整个涂装体系的质量，干燥过程中环境温度变化呈现如图2的趋势，能够保证水性底漆的干燥质量。交联密度对漆膜的影响将结合不饱和聚酯腻子层的特点在后续内容中具体阐述。