赵民、陈旭（南车青岛四方机车车辆股份有限公司）
摘要：结合水性涂料在城轨车辆上的应用经验,系统地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
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。
3.水性环氧底漆层与不饱和聚酯腻子层间的附着力
轨道车辆涂装体系通常包括底漆、腻子、中涂和面漆四个涂层，在底层漆膜上施涂两种或不同种涂料时，在涂层施涂或干燥时底层漆膜发生软化、隆起等现象称为咬底，咬底会导致上层漆膜膨胀、移位、发皱、鼓起，甚至使涂层失去附着力，出现脱离的现象[6]。苯乙烯作为不饱和聚酯腻子中重要的交联剂，其含量随着腻子层厚度增加而提高。当水分挥发不完全，水性环氧底漆漆膜交联密度低时，腻子中交联反应为强放热性加剧了苯乙烯对底漆层的溶解性，出现咬底现象。所以说综合考虑水性环氧底漆的干燥条件、不饱和聚酯腻子层的苯乙烯含量、施工厚度等因素，才能够保证水性底漆层与不饱和聚酯腻子层间的附着力。
4.水性聚氨酯面漆的调配
水性聚氨酯面漆主要由含羟基的水性树脂和带有异氰酸根的固化剂，以水为稀释剂调配而成。成膜机理是固化剂中的-NCO和主剂树脂中的-OH发生化学交联作用，生成不溶于水的空间网状结构。水性聚氨酯面漆调配过程中，如果将固化剂和水同时加入主剂中，固化剂中的-NCO将与水发生如下所示的剧烈副反应：
-NCO+H2O→-NH2+CO2
上述反应消耗固化剂的部分NCO基团，降低涂膜的交联密度，影响涂膜的耐化学介质性能和光泽度。所以水性聚氨酯面漆调配时必须先将主剂和固化剂调配以一定的搅拌速度混合(10~20)min，再加入水进行粘度调整；同时搅拌速度太低会影响异氰酸根在水性聚氨酯树脂中的分散，速度过高有可能导致破乳而影响涂层的性能，搅拌速度最易控制在(500~1000)r/min。
5.水性聚氨酯面漆的施工环境
5.1环境湿度的影响
在喷漆水性涂料时，水变成水蒸气体积膨胀1244倍，可以使喷漆室中的湿度瞬间升高[7]，而如青岛、广州等夏季高湿度城市，环境湿度可达到90%以上，高湿度下的水性涂料施工会影响水的蒸发，引起针孔、橘皮等现象。
5.2环境温度的影响
当环境温度大于30℃时，水性聚氨酯面漆的表干速度将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。
水性聚氨酯面漆的施工环境可通过专业的施工设备满足，采用上送风下吸风式喷漆室，控制有载风速(0.5~0.7)m/s，具有夏天降温除湿，冬季升温增湿的功能，保证施工环境温度(20～25)℃，湿度(35～75)%。
6.水性涂料的通风时间
根据热量比热计算公式，由于水的比热c水=4.2KJ/(kg·℃)，大于常规稀料的比热[c醋酸丁酯2.08KJ/(kg·℃)，c二甲苯2.58KJ/(kg·℃)]，在质量和吸收热量相同的前提下，水的升温小于常规稀料，也就是说同样的施工环境和时间里，水的挥发量更小。所以水性涂料必须严格控制通风时间，增加水的挥发量，减少针孔现象的产生。水性涂料施工结束后，通风时间由30min(常规涂料)增加至2h，能够满足水的挥发和漆膜的干燥相协调，保证施工质量。
7.结论
涂装界有句俗语：“三分涂料，七分涂装”。涂料作为一种非成品物质，必须经过完善的施工过程，才能将其优良的性能发挥出来；从涂料配方、生产和施工等全过程而言，喷漆施工对涂料性能的发挥有重要的作用。水性涂料作为未来轨道车辆涂料的应用热点，只有严格控制表面处理、干燥条件、施工工艺和环境等过程因素，才能真正体现其不低于溶剂型涂料的卓越性能。
参考文献：
[1] Doren K,Freitag W,Stoye D.Water-borme coatings [M].The Environmentally-Friendly Altermative.Hanser Publishers,1994.
[2] 李玉柱.VOC与涂料配方[J].企业科技与发展，2010（22）：50-56
[3] 张心亚，魏霞，陈焕钦.水性涂料的最新研究进展[J].涂料工业，2009,39（12）：17-23
[4] 王金鑫.浅谈表面预处理对钢结构防护涂层附着力的影响[J].中国涂料.2008，23（5）：66-68
[5] 周继亮,涂伟萍，夏正斌.CARDURAE-10改性水性环氧固化剂及其室温固化机理[J].热固型树脂，2005,20（2）：1-9
[6] 陈旭，赵民.水性环氧底漆与不饱和聚酯腻子层间附着力的影响因素及机理分析[J].现代涂料与涂装，2012,15（11）：25-27
[7] 马春庆，闫立锋，孔春花等.水性涂料喷涂工艺及设备设计需要注意的一些问题[J].现代涂料与涂装，2009,12（11）：30-33
文章发表于《现代涂料与涂装》 - 2014
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