张奎/（中车南京浦镇车辆有限公司）
摘要：通过对水性双组分聚氨酯黄色面漆进行试验，探索出其喷涂施工的绿色区间，研究了水性羟基丙烯酸树脂与水性羟基醇酸树脂质量比、固化剂用量、漆膜厚度和干燥时间对漆膜硬度的影响，最终得到满足轨道交通保护要求的漆膜。
关键词：水性双组分聚氨酯涂料；面漆；硬度；交联反应
0 引言
由于环境问题日益突出，对高性能轨道交通涂料提出环保需求，水性涂料成为了研究和需求的热点[1]。水性涂料由于采用水作为分散介质，大幅度降低了VOC的排放，符合绿色生产要求，是一种环境友好型涂料[2]。高性能和低VOC含量相结合的水性双组分聚氨酯涂料具有广阔的应用前景。
1 水性双组分聚氨酯涂料
水性双组分聚氨酯涂料由水分散性多官能异氰酸酯和羟基官能聚合物分散体两种组分混合而成。陈中华等[3]选用性能优良的含羟基丙烯酸树脂与异氰酸酯固化剂制备双组分水性聚氨酯汽车面漆，漆膜综合性能良好。新加坡C151A型地铁采用水性涂装体系，其优良的配套性、耐老化、耐湿热等性能证明水性涂料的选型和工艺设计能够满足城轨车辆的使用要求[1]。
1.1 交联机理
水性双组分聚氨酯涂料的成膜就是通过含羟基的水性多元醇和含异氰酸酯基的水性固化剂进行交联反应，最后在被涂基材表面形成一层连续完整的涂层，水蒸发后，分散的多异氰酸酯粒子与多元醇粒子开始聚集，—NCO与—OH发生交联反应，固化成网络结构的聚合物。另外，还有可能存在副反应[4]。
1.2 水性羟基树脂
1.2.1 水性羟基丙烯酸树脂
水性羟基丙烯酸树脂是以丙烯酸酯硬单体、软单体作为基本物质并引入功能单体制备而成，其特点是防腐蚀、耐光、耐候、保色、成膜性优良。
来水利等[5]在制备水性羟基丙烯酸树脂时引入了大分子叔碳酸缩水甘油酯，用该树脂制得的水性双组分聚氨酯涂料硬度、附着力、耐冲击性、耐溶剂性能较好。潘莉莎[6]选择较高活性的丙烯酸酯类单体与有机硅氧烷单体共聚，对水性丙烯酸树脂进行改性，得到的漆膜具有很好的耐水和耐溶剂性，其他性能也得到了提高。
1.2.2 水性羟基醇酸树脂
醇酸树脂一般由多元醇、多元酸经脂肪酸或油改性共聚缩合而成[7]。羧基、羟基等极性基团提供给醇酸树脂漆膜良好的附着力。然而，羟值增大，漆膜硬度及拉伸强度会降低。醇酸树脂涂料具有硬度低、耐水性差等不足，需要进行改性来满足需求[8]。赵韬[9]采用环氧树脂、苯乙烯以及丙烯酸树脂共同对醇酸树脂进行改性，得到改性水性醇酸树脂，性能有所提高。
1.3 水性固化剂
在涂料制备中作为交联剂的聚异氰酸酯包括芳香族、脂肪族、脂环或多环结构[10]。水性异氰酸酯通过化学合成在产物异氰酸酯封端预聚物的结构中引入亲水性基团，从而使整个分子具有亲水性[11]。脂肪族或脂环族异氰酸酯因比芳香族异氰酸酯与水反应慢得多，且具有更好的耐候性和保色性，故常用于水性固化剂。
1.4 试验研究目的及内容
水性双组分聚氨酯涂料凭借其高性能与低VOC在车用涂料中发挥着重要作用。硬度是涂层最重要的物理性能之一，其反映的是漆膜抵抗另一种材料（如铅笔）压陷、刮擦、切划和渗透的能力。熊潜生等[12]通过试验研究了原材料及其配比、交联方式、扩链方式对漆膜硬度的影响。故在此探讨影响水性双组分聚氨酯面漆漆膜硬度的因素。
测试漆膜硬度时，应保证漆膜表面平整光滑，表面效果好。在绿色区间的条件下，探究丙烯酸树脂与醇酸树脂质量比、固化剂用量、漆膜厚度和干燥时间对漆膜硬度的影响，在保证轨道交通水性双组分聚氨酯面漆良好综合性能的前提下，改善漆膜的硬度。
2 试验部分
2.1 原材料
试验原材料如表1所列。
2.2 试验仪器
试验仪器如表2所列。
2.3 水性双组分聚氨酯黄面漆配方
水性双组分聚氨酯黄面漆配方如表3 所列。
2.4 黄色面漆喷涂施工前配漆配方
黄色面漆喷涂施工前配漆配方如表4 所列。
2.5 制漆工艺
往干净的配料罐中加入醇酸树脂、丙烯酸树脂和二丙二醇丁醚，在850 r/min下搅拌均匀（3 min）；依次加入消泡剂、流平剂和润湿剂，1 100 r/min下搅拌5 min；转速降至850 r/min，再加入黄色浆和去离子水，
1 100 r/min搅拌5 min；转速降至850 r/min，加入增稠剂，1 200 r/min搅拌10 min后即可出料。
2.6 配漆工艺
先将固化剂按配比加入主漆，然后手工搅拌；充分搅拌均匀后，加入去离子水搅拌稀释；静置消泡后，按照规范操作，用涂-4杯测试调整黏度至19 ~ 22 s；用200目滤布过滤后备用。
2.7 喷涂工艺
底材处理→喷涂底漆→底漆打磨→喷涂中涂→中漆打磨→喷涂面漆→性能测试。
2.8 性能测试
依据GB/T 9754—2007测试漆膜光泽；依据GB/T 6739—2006测试漆膜硬度；依据GB/T 1732—1993测试漆膜耐冲击性能；依据GB/T 11185—2009测试漆膜弯曲性能；依据GB 1720—1979测试漆膜附着力。
３ 结果与分析
３.1 黄面漆喷涂施工绿色区间
探究环境温度和湿度对黄面漆喷涂施工的影响，找出适宜的温湿度范围，即喷涂施工的绿色区间。
３.1.1 温度对漆膜性能的影响
首先保持相对湿度不变，试验设计分成2组，探究不同温度下涂料固化成膜后的板面效果，第1组结果如表5所列。
从表5可以看到，相对湿度保持50%不变，当温度为10 ℃和15 ℃时，漆膜表面都有发白的现象。温度过低，漆膜中水分过多，长时间挥发不出来，造成漆膜性能变差，光泽低。当温度为20 ℃和25 ℃时，漆膜表面的溶剂蒸发平衡，漆膜平整光滑，无颗粒，并且具有很高的光泽，漆膜性能良好。温度为30 ℃和35 ℃时，漆膜性能变差，表面出现痱子、气泡、缩孔，光泽低。
为了找出更准确的绿色区间，第2组试验根据上组试验展开进行，在15 ~ 20 ℃以及25 ~ 30 ℃之间找出符合绿色区间的温度，试验结果如表6所列。
从表6可以看出，当温度为17 ℃、19 ℃、25 ℃和27 ℃时，漆膜平整光滑，无颗粒，且光泽高；当温度为15 ℃和29 ℃时，漆膜表面分别出现发白、痱子的现象，光泽低。
综合上述数据，在相对湿度保持50%不变、温度处于17 ~ 27 ℃之间时，喷涂黄色面漆成膜后的漆膜性能良好。
３.1.2 相对湿度对漆膜性能的影响
保持温度不变，探究不同相对湿度下涂料固化成膜后的板面效果，如表7所列。
从表7可以看出，保持温度25 ℃不变，当相对湿度为30%时，漆膜流平差，有轻微橘皮，说明漆膜表面的溶剂蒸发快，涂层在干燥前未流平好，橘皮因而产生；相对湿度为50%和70%时，漆膜表面流平好，无明显漆膜弊病，光泽高；当相对湿度为90%时，漆膜表面有流挂现象，在相对湿度过高的情况下，漆膜水分挥发缓慢，水分含量高，容易造成漆膜流挂。
为找出更准确的绿色区间范围，第2组试验根据上述试验展开进行，在30% ~ 50%及70% ~ 90%之间找出符合绿色区间的相对湿度，试验结果如表8所列。
从表8可以看出，保持温度25 ℃不变，当相对湿度为35%时，漆膜流平差，光泽为85%；当相对湿度为40%、45%和75%时，漆膜表面流平好，光泽高；当相对湿度大于80%时，漆膜表面有漂移现象，漆膜有流挂的趋势。
综合上述数据，温度保持25 ℃不变，在相对湿度处于40% ~ 75%之间时，喷涂黄色面漆成膜后的漆膜性能良好。因此，结合温湿度的参考范围，当温度处于17 ~ 27 ℃、相对湿度处于40% ~ 75%时，喷涂黄色面漆成膜后的漆膜性能良好，这也就是水性双组分聚氨酯黄色面漆的喷涂施工绿色区间。其他色漆喷涂施工时亦可参考此绿色区间。
３.2 树脂质量比对漆膜硬度的影响
丙烯酸树脂提供漆膜硬度，醇酸树脂提拱漆膜柔韧性，两者的质量比对漆膜硬度的影响如表9所列。
由表9可以看出，漆膜的铅笔硬度随着丙烯酸树脂与醇酸树脂质量比的增大而增大，同时，漆膜的耐冲击性和柔韧性逐渐变差，而附着力则无明显变化。根据水性黄色面漆的性能要求，黄色面漆的漆膜铅笔硬度要求达到HB以上。综合考虑黄色面漆的性能，故当丙烯酸树脂与醇酸树脂的质量比为2 ∶ 1和5 ∶ 2时，黄色面漆的综合性能符合要求，但比值为5 ∶ 2时性能最好，漆膜铅笔硬度达到H，耐冲击性50 cm，柔韧性1 mm，附着力1级。
在制备羟基丙烯酸树脂的配方中，硬单体与软单体的质量比越大，越有利于涂料硬度的提高。而羟基醇酸树脂含有羧基和羟基等极性基团，具有很好的亲水性，为漆膜提供柔韧性、附着力和丰满度，但是漆膜硬度会随着羟基值的增大而降低。
3.3 固化剂用量对漆膜硬度的影响
固化剂在涂料成膜过程中起交联作用，其用量对漆膜硬度有着很大的影响，试验结果如表10所列。
从表10可以看到，随着固化剂用量增大，漆膜铅笔硬度的值随之增大，而耐冲击性随之变差，柔韧性则无明显变化。当黄色面漆与固化剂的质量比为10 ∶ 3和5 ∶ 2时，漆膜硬度只有4B和2B，达不到性能要求。当黄色面漆与固化剂的质量比为2 ∶ 1和5 ∶ 3时，漆膜硬度达到H，柔韧性和附着力分别都是1 mm和1级，但是耐冲击性却不同，分别是50 cm和30 cm。因此，在这组试验中，当黄色面漆与固化剂的质量比为2 ∶ 1时，漆膜性能最好。为了进一步探究黄色面漆与固化剂的质量之比为2 ∶ 1时是否能够得到最好的漆膜性能，第2组试验围绕黄色面漆与固化剂的质量比为2 ∶ 1左右展开，试验结果如表11所列。
从表11可以看出，随着固化剂用量增大，漆膜硬度依然逐渐增大，耐冲击性逐渐变差，柔韧性和附着力无变化。与上一组试验得出的结论类似，当黄色面漆与固化剂的质量比为20 ∶ 9和2 ∶ 1时，涂料的漆膜性能较好，当黄色面漆与固化剂的质量之比为2 ∶ 1时，漆膜综合性能还是最好的。
黄色面漆与固化剂的质量比越大，也就是—OH与—NCO的比越大，二异氰酸酯的量偏少，不足以与树脂反应完全，会降低漆膜的交联密度。而且涂料中的过多水分会使漆膜变软，漆膜硬度降低。随着固化剂用量的增加，二异氰酸酯与树脂进行交联反应越多，成膜后的交联密度越大，漆膜硬度增大。但是，固化剂用量增多，树脂用量降低，极性基团的量减少，漆膜会变脆，抵抗冲击负荷能力减弱，耐冲击性得不到保障，而柔韧性和附着力不受明显影响。
3.4 漆膜厚度与干燥时间对漆膜硬度的影响
为了探究漆膜厚度对硬度的影响规律，以湿膜厚度为变量进行试验，设计40、60、85、100 μm厚度，并放置7 d测试干燥时间对漆膜硬度的影响规律，试验结果如图1所示。
从图1可以看出，漆膜厚度为40 μm时，硬度1 d就达到了HB， 5 d达到最终硬度2H。漆膜厚度为60 μm时， 1 d的硬度也是HB，最终硬度是第5 d时达到的H。漆膜厚度为85 μm时，起始硬度降为2B，最终硬度达到HB。而涂料的漆膜厚度为100 μm时，起始硬度更软，为3B，后来7 d的硬度增大缓慢，最终硬度为B。另外，漆膜越厚，其表干时间越长。整体来说，在恒温恒湿条件下，硬度随着干燥时间的增长而增大，并且漆膜越薄，硬度越大，漆膜厚度小于85 μm时硬度达HB以上，且漆膜硬度均在5 d后维持稳定。
在温度为25 ℃、相对湿度为50%的恒温恒湿条件下，漆膜表面的水分等溶剂不断挥发，硬度逐渐增大。漆膜的厚度越小，含有的溶剂越少，整体的溶剂蒸发得快，二异氰酸酯与水之间的副反应减少，同时二异氰酸酯与树脂交联反应成膜后交联密度大，漆膜硬度增大。漆膜越厚，其表面的溶剂平衡蒸发，但是表面下的溶剂被封住，漆膜中的水分含量高，促进了二异氰酸酯与水的副反应，硬度降低。
4 结语
1）对水性双组分聚氨酯黄色面漆进行试验，找出适合黄色面漆施工的环境温湿度（绿色区间），即温度在17 ~ 27 ℃之间，相对湿度在40% ~ 75%之间，在绿色区间进行涂料施工有利于漆膜良好性能的形成。
2）制备水性双组分聚氨酯黄色面漆时，配方中的水性羟基丙烯酸树脂与水性羟基醇酸树脂质量比控制在5 ∶ 2时，得到的漆膜硬度高，综合性能良好。
3）黄色面漆喷涂施工前配漆，将黄色面漆与水性固化剂的质量比控制在2 ∶ 1，最后加去离子水调节施工黏度，在绿色区间下施工可得到硬度高的漆膜。
4）在一定范围内，漆膜越薄，干燥时间越长，则硬度越大，漆膜厚度小于85 μm时硬度符合要求。因此，涂料的喷涂施工要结合其实际情况选择漆膜厚度，并且硬度的测试以5 d后的数据为准。
（详情见《现代涂料与涂装》2021-8）
(0)
