水性涂料在地铁转向架上的应用

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0   引言

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，且溶剂排放到大气中后，会造成光化学污染，形成温室效应^[1，2]，对涂装作业人员构成了严重的健康威胁，同同时对施工环境有严重的污染。由于水性涂料中以水替代部分或全部溶剂，VOC通常只有溶剂型涂料的10%～20%，所以采用水性涂料是降低VOC的最有效的方法。但由于水性涂料施工工艺要求和溶剂型的涂料不同，再加上价格贵等诸多因素，在国内还没有形成以水性涂料为主的工业化涂装。

目前水性涂料在国内轨道车辆的应用还没有进行广泛的推广，除用于减震降噪的阻尼涂料为水性涂料外，其余仍然是溶剂型涂料，水性涂料还具有极其广泛的应用前景。本文根据城轨地铁转向架涂装过程中采用水性涂料涂装体系的成功经验，系统分析了转向架涂装生产过程中水性涂料体系的选型、涂装施工工艺、施工环境以及喷涂水性涂料中应该注意的问题，为国内轨道客车使用水性涂料体系涂装提供参考依据。

1   水性涂料配套体系

现在普通铁路客车转向架用的涂装体系一般为环氧底漆+聚氨酯面漆体系，动车组转向架采用的环氧底漆+环氧厚浆漆面漆体系，城轨地铁一般是沿用动车组转向架涂装体系，或是根据转向架的具体使用环境进行改良的涂装配套体系。结合地铁转向架在运行过程中砂石等对涂层有一定的破坏，表面有水和大量灰尘附着，运用条件较为恶劣。底漆是直接与工件金属底材相接触，其附着力、耐水性、耐盐雾性等对涂装体系有至关重要的影响。水性底面合一漆是一种以PVDC和丙烯酸共聚乳液加上防锈颜料、填料、表面活性剂和其他助剂制成的常温干燥型水性涂料。综合水性底面合一漆单组分、优异的附着力、极好的耐水性和耐盐雾性、易于施工等特点，选择水性底面合一漆作为地铁转向架的水性涂装体系的第一道底漆。

面漆是直接与底漆相接触的涂层，转向架涂装最终展示出的效果也是通过面漆涂层体系。在选择面漆涂层时，除了要求和底漆有极好的配套性之外，还得要求面漆有良好的耐侯性、耐冲击性、耐盐雾性，同时应结合客户的要求具有一定的装饰和保护功能，比如光泽度、颜色等。另外面漆的具体的施工工艺也要方便，涂层干燥快、有一定的光泽度，能够是涂层长期保持良好外观。本次地铁转向架选用水性丙烯酸罩光漆作为面漆，水性底面合一漆具有良好的配套性。它是一种以丙烯酸乳液和聚氨脂分散体为基料的单组份水性涂料，兼具聚氨酯成膜后的优异韧性和丙烯酸的刚性的优点，特别表现在可在较低的温度下成膜，又有较好的涂膜硬度。

本研究结合城轨地铁转向架的运行环境及气候条件，同时借鉴溶剂型涂料体系在铁路客车上的涂装工艺，利用现有的涂装工艺设施，进行水性涂料配套体系选择，选定水性底面合一漆+水性丙烯酸罩光漆。

2   涂装工艺

2.1   涂装施工工艺流程

水性涂料涂装工艺流程为：

表面处理→油漆线上线→喷漆前防护与底材清洁→喷涂水性底面合一漆→流平→干燥固化→打磨→漆膜检查与缺陷处理→整体喷涂罩光漆→流平→干燥固化→涂层检查并处理缺陷→撤除防护→油漆线下线→提检、交验。

2.2   涂装技术要求

水性涂料涂装过程中的主要技术要求如表1所示。

表1水性涂料涂装过程中的主要技术要求

3.   水性涂料的具体施工特点

3.1   表面处理

涂装前采用抛丸的方式对转向架构架进行表面处理，目的一是为了去除工件表面的锈蚀等杂质，使金属裸露在表面，二是为了获得一定的粗糙度，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^[3]。

本文结合碳钢车、动车组以及城轨地铁转向架抛丸处理方式，对此项目的地铁转向架也采用抛丸处理。通过城轨地铁转向架表面处理验证证明：选用0.6mm～0.8mm铸钢丸进行抛丸处理，使用罗斯勒轨道悬挂式抛丸机对转向架构架进行抛丸，抛丸段工件传送抛丸速度1m/min，抛丸后构架表面呈现金属本色，没有氧化皮、浮锈、油污以及其他疏松的附着物，表面清洁度达到GB/T8923中规定的Sa2.5级，表面粗糙度值为Ra6.3μm-12.5μm，能够保证水性底面合一漆与基材间的良好附着力，如图1所示。图1为构架抛丸后的表面状态，使用TR200手持式表面粗糙度仪对抛丸后构架的表面粗糙度进行测量，从图1中可以看出，构架的表面粗糙度为Ra9.81μm。

3.2   施工环境

施工环境直接影响水性涂料的喷涂质量。在喷漆室中喷涂水性涂料时，水由于变成水蒸气能够使溶剂膨胀1244倍，造成喷漆室中的湿度骤然升高，当喷漆室中的湿度达到90％时喷涂在工件上的涂膜会往下流淌^[4]。所以，喷涂水性涂料时合理的控制喷漆室的湿度很重要，温度也要保证在使漆膜不发生流淌和流挂合理范围。经试验验证表明，当环境温度大于32℃时，水性底面合一漆的表干速度远远大于水的挥发速度，未及时挥发的水被暂时封闭于漆膜中，导致针孔现象发生；当环境温度低于15℃时，反应温度小于涂料的玻璃化温度，漆膜出现交联不完全或失光等现象。

夏天湿度比较高，湿度能达到70%，湿度高，水分不容易挥发，表面成膜后把水分封锁在漆膜里，造成水与基材接触，有返锈的情况发生。所以在夏天喷涂时应注意调漆时加入水的量要减少三分之一，以免发生返锈的现象，影响防腐能力。

综上水性涂料的最佳施工环境温度为18～32℃，允许相对湿度为35％～70％，为了保证水性涂料施工中的温度和湿度，以及施工过程中的清洁度，所有水性涂料的喷涂的都应在喷漆室内进行。喷漆室采用上送下吸式送风系统，在喷涂过程中可以有效抑制漆雾的飞散，通过二级过滤可保证进风的清洁度。

3.3   喷涂水性底面合一漆

喷涂水性涂料所需用的空气喷枪与溶剂型涂料相同，在使用之前需使用去离子水进行洗枪，加入适量的去离子水进行搅拌，使油漆均匀一致，粘度为25s～40s（涂-4杯），喷枪压力控制在0.5 MPa，使用空气喷枪喷涂5～6遍水性底面合一漆，每遍漆膜厚度控制在20～40µm，一次成膜的厚度最高不能超过60µm，漆膜一次厚度过厚容易造成漆膜开裂；每遍喷涂之间间隔时间不低于10min，一般为15min，漆膜厚度控制在100µm～160µm。

3.4   喷涂水性罩光漆

转向架涂装最终展示出的效果是通过面漆涂层的质量来体现的。根据现有的喷涂工艺设备，调配面漆时加入1%-2%慢干稀释剂进行搅拌均匀，然后加入适量的去离子水（0～10%）进行搅拌，使油漆均匀一致，粘度为25s～40s（涂-4杯），喷枪压力控制在0.5MPa。用空气喷枪喷涂一道面漆，面漆漆膜厚度控制在20µm～40µm，最终漆膜总厚度为120µm～200µm。构架上面喷涂完成后，开启升降装置升起构架，喷涂下表面。面漆喷涂均匀一致，没有流坠、气孔，没有漏喷部位。

4.  结语

通过水性涂料体系在地铁转向架上的应用总结得出以下结论：

（1） 涂装前的表面处理相对要求严格，处理后的表面没有氧化皮、浮锈、油污以及其他疏松的附着物，表面清洁度达到GB/T8923中规定的Sa2.5级，表面粗糙度值为Ra6.3μm-12.5μm，能够保证水性底面合一漆与基材间的良好附着力。

（2）施工环境直接影响水性涂料的喷涂质量，水性涂料最佳施工环境温度为18～32℃，允许相对湿度为35％～70％。

（3）水性涂料具有良好的工艺施工性，不需要调配，可直接喷涂，流挂性佳，单遍喷涂的最佳厚度为20～40µm，不流坠，触变性好，喷涂所需压力低；自干速度快，重涂间隔短，可大大缩短施工周期。

（4）水性涂料干燥一般采用自然干燥，若需烘干，烘干的温度不得高于40℃。

（5）水性涂料涂膜的保护性和装饰性与溶剂型涂料相当。

该水性涂料具有优良的环保性能，整个喷涂作业中没有溶剂参与，且涂料本身采用无毒无害的环保材料，因此，对施工人员以及工作环境没有任何危害和污染。

目前，环保问题已引起社会各界的重视，随着经济的发展和环境保护法规的日趋完善，相信在不久的将来，在国内客车、机车、城市轨道车辆以及高速动车组中的涂装体系定会开始广泛使用水性涂料一，涂料水性化定是大势所趋。

详情见《现代涂料与涂装》2017年第4期