黄嵘,林伟（佐敦涂料（张家港）有限公司，江苏苏州 215634）

摘要：针对现有轨道交通用水性聚氨酯底色漆加清漆复合涂层配套性不良、无泡膜厚偏低的问题，本研究以水性羟基丙烯酸分散体为成膜树脂，以 HDI 为固化剂，配以相关助剂等，研制了一种水性聚氨酯底色漆，并研究了丙烯酸酯、固化剂、润湿剂、抗流挂剂等组分对底色漆性能的影响。结果表明，该底色漆与聚氨酯清漆配套性好，复合涂层外观优异，其无泡膜厚可达 150 μm，具有良好的施工性能，满足 Q/CR 546.1—2022 标准要求。

关键词：轨道交通；聚氨酯底色漆；水性涂料

引言

近几年，国家环保政策要求的提高和人们对健康生活的迫切需要^[1]，水性涂料的使用越来越广泛，尤其是在建筑及家装行业，溶剂型涂料基本被水性涂料替代。在轨道交通、工程机械、乘用车、商用车等性能和外观要求更高的行业，水性涂料的使用也加快了脚步。

轨道交通行业目前主要应用的涂层体系有两种^[2]，具体如图 1 所示。

由图 1 可知，两个涂层体系最主要的区别是面漆方面：体系 A 面漆用的是水性聚氨酯底色漆+水性聚氨酯清漆复合涂层；体系 B 是直接用水性聚氨酯实色面漆。目前城轨、地铁和高铁主要用体系 B，因为体系 B 涂层结构相对简单，施工工艺简便，并且有着相对低廉的价格和可接受的涂层性能。体系 A 涂层结构相对复杂，底色漆和清漆一般采用“湿碰湿”^[3]的工艺进行涂装，对产品的配套性和施工性以及现场工人操作的要求比较高，但是此体系有更好的整体外观、光泽和保光保色性能。随着轨道交通行业对涂层性能要求的提升，越来越多的高铁会开始使用体系A。

“湿碰湿”涂装工艺是指在上道漆膜仅表干未固化的情况下进行下道涂料的施工，流平后两道涂层共同烘烤完成工件的涂装。“湿碰湿”简化了施工工艺，可以降低能耗，降低生产成本。

但是此工艺对产品的配套性和施工性能要求非常高，具体表现为：

（1）上下两涂层需要有良好的配套性，复合涂层施工后不会出现咬底、缩孔等涂膜弊病；

（2）底色漆加清漆的涂层体系是面漆加面漆的湿碰湿涂层体系。下面的底色漆提供涂层体系的颜色，应具备一定的遮盖力和耐候性，所以底色漆的膜厚有一定要求，对于浅色漆有可能需要达到 60 μm 左右；

（3）上面的清漆为涂层体系提供外观和耐候性，为了获得比较好的外观和光泽，需要 50~60 μm 的膜厚，所以复合涂层的膜厚可能会达到 100~120 μm，对复合涂层的无泡膜厚提出了比较高的要求。现有聚氨酯面漆在施工现场的无泡膜厚大多数只有 100 μm 左右，在施工过程中有着比较大的风险。

本实验通过对树脂、固化剂、润湿剂、消泡剂和增稠剂的筛选，开发出一种复合涂层无泡膜厚可达 150 μm、施工和配套性能良好、符合轨道交通行业要求的水性聚氨酯底色漆。

01、实验部分

1.1 原材料 

水性聚氨酯清漆：佐敦；水性羟基丙烯酸分散体（羟值 1.2%~4.2%）；润湿剂（有机硅表面活性剂）；分散剂（高分子共聚物）；钛白粉（金红石型）；助溶剂（醇醚类溶剂）；中和剂（胺中和剂）；消泡剂 A 和消泡剂 B（聚醚聚硅氧烷溶液）；油性固化剂（HDI 固化剂）；增稠剂（聚氨酯缔合型增稠剂、碱增稠型增稠剂）；水性固化剂（亲水改性 HDI 固化剂）。以上原材料均为市售品。

1.2 仪器设备

恒温水浴：上海利宝真环境试验设备有限公司；高速分散机：广州标格达；显微镜 VHX-5000：基恩士；空气喷枪：日本岩田；烘箱：上海一恒科学仪器有限公司；光泽度仪、橘皮仪：BYK；人工老化箱：Q-LAB。

1.3 水性聚氨酯底色漆基础配方

水性聚氨酯底色漆基础配方如表 1 所示。

表 1 水性聚氨酯底色漆基础配方

Tab.1 Basic formula of wateborne PU basecoat 

1.4 水性聚氨酯底色漆的制备工艺

按照表 1 配方将去离子水加入罐内，然后边低速搅拌边依次加入消泡剂、分散剂、钛白粉，加入的间隔为 3~5 min。分散均匀后提高搅拌转速至高速，使分散细度＜10 μm。降为中速，再依次加入水性羟基丙烯酸分散体、中和剂、润湿剂、流平剂、助溶剂、增稠剂，中速分散 10 min，加入去离子水开稀，中速搅拌 10 min 后用 300 目滤网过滤包装，得到水性聚氨酯底色漆 A 组分。

按照表 1 配方将固化剂、助溶剂依次加入罐内，搅拌均匀后包装，得到水性聚氨酯底色漆固化剂B组分。

1.5 样板制备及测试方法

1.5.1 涂层配套性能测试样板制备

将水性聚氨酯底色漆与固化剂两个组分按照反应比混合均匀并加水稀释至合适的喷涂黏度，在温度 20~30 ℃、相对湿度 50%~75%、风速 0.3~0.5 m/s 的环境条件下，喷涂至经喷砂除油处理的铝板表面。底色漆分两次喷涂，间隔 10 min，干膜厚度控制在 40~50 μm。待底色漆流平 30 min 后，再分两次喷涂水性聚氨酯清漆，喷涂间隔 10 min，干膜厚度控制在 50~ 90 μm，流平 40 min 后放入烘箱 60 ℃固化 2 h，制得样板。

1.5.2 性能测试

按 Q/CR 546. 1—2022《动车组用涂料与涂装第 1 部分：车体外表面用涂料及涂层体系》要求对复合涂层进行性能检测。按 GB/T 9264—2012 规定，使用测试范围 50~275 μm 的流挂测试仪对配方的抗流挂性能进行检测。

02、结果与讨论

2.1 水性羟基丙烯酸分散体筛选

在水性聚氨酯底色漆＋水性聚氨酯清漆的涂层体系中，水性聚氨酯清漆需要采用“湿碰湿”工艺施工在底色漆上，而“湿碰湿”工艺的配套性主要取决于底色漆的性能。

本实验选用了市面上常见的羟值不同，不同供应商提供的水性羟基丙烯酸分散体 A、B、C、D、E 进行实验，对复合涂层的性能进行测试，具体结果见表 2。

选取配套性和复合涂层性能表现相对较好的 A End Fragment:0000000913 和 B 作为主体树脂，对不同树脂立面施工时涂膜的外观进行测试，具体参数见表 3。

从表 2 可知，水性聚氨酯底色漆使用不同羟基含量的树脂对复合涂层的配套性有着比较大的影响：使用低羟值水性羟基丙烯酸分散体的水性聚氨酯底色漆与水性聚氨酯清漆的配套性明显好于使用高羟值分散体的底色漆。因为一般低羟值的水性羟基丙烯酸分散体有着更大的相对分子质量，在未进行交联状态下的耐溶剂性能更好，所以出现咬底、缩孔等涂膜 弊病的风险更小。对于羟值接近的水性羟基丙烯酸分散体，由于树脂厂家对树脂的结构设计和生产中对生产工艺、生产 过程把控的区别，导致虽然配套性相近但是复合涂层的无泡膜厚有着比较明显的差别。所以在确定树脂选择最好分为两步：（1）通过比较测试确定合适树脂的大致范围，例如羟值较低的更适合做底色漆的主体树脂；（2）在定下的范围内进一步详细筛选确定最优树脂选择。

轨交车体有比较大的侧立面，而且轨交客户进行车体涂层验收时第一时间关注到的也是侧立面的涂膜外观，所以复合涂层在侧立面上施工后的外观需要重点关注。由表 3 可知使用不同树脂的底色漆对复合涂层的外观有一定影响。

由以上测试结果可知，水性羟基丙烯酸分散体 A 是底色漆配方的最优选择。

2.2 固化剂的筛选

综合价格、性能等方面因素，水性聚氨酯涂料一般使用 HDI 三聚体作为固化剂。由于不同厂家、不同牌号 HDI 三聚体的黏度、亲水改性程度不同，导致其与 A 组分的相容性、施工性、涂膜性能等有着比较大的差别。

本实验选择市面上常用的不同黏度和结构的油性固化剂 A、B、C 和亲水改性固化剂 D、E；用前面筛选选定的水性羟基丙烯酸分散体 A 作为主体树脂，测试底色漆 A 组分和 B 组分的相容性以及复合涂层的性能。

固化剂和底色漆 A 组分相容性的实验结果见表 4；成膜后涂膜性能的实验结果见表 5。

由表 4 可知，不同固化剂会明显影响配方的施工性，而且不同固化剂与底色漆 A 组分的相容性也有明显差别。其中亲水改性的固化剂 D 和 E 以及低黏度油性固化剂 C 制备的 B 组分的相容性最好。但是使用亲水改性的固化剂作为 B 组分，复合涂层的无泡膜厚会明显下降。

由表 5 可知，复合涂层的耐性和水性聚氨酯清漆的关系最大，所以耐性方面差别不大，但是使用不同的固化剂作为水性聚氨酯底色漆的 B 组分会影响复合涂层的机械性能。

由以上测试结果可知，油性固化剂 C 是水性聚氨酯底色漆固化剂的最优选择。

2.3 润湿剂的筛选

水性涂料主要采用水作为稀释剂，这也是水性涂料的最明显特征。相比有机稀释剂，水的表面张力更高，导致相比油性涂料，水性涂料更容易发生缩孔等底材润湿不良问题。为了避免此问题的发生，需要选用合适的润湿剂降低水性涂料的表面张力。

但是需要注意的是，润湿剂如果过量会导致板面出现大量颗粒导致涂膜弊病，所以筛选润湿剂应该同时要评价对表面张力的降低程度和添加以后的涂膜外观两个方面。

评价水性涂料的表面张力常用的有悬滴法和测试涂料在底材上最低成膜膜厚两种方法。本研究采用测试涂料在底材上最低成膜膜厚的方法，因为此方法所用设备比较简单且更加接近现场施工情况。 

本研究选用了市面上常用的 4 种润湿剂 A、B、C、 D 进行对比试验。按照表 1 中组分 A 的参考配方分别添加 0.3%和 0.5%的不同润湿剂到配方中，两组分充分混合并稀释至同样黏度后空气喷涂不同膜厚的样板，固化后测量在底材上形成平整连续涂膜的最低膜厚并评价涂膜外观，实验结果见表 6。

由表 6 可知，配方中用润湿剂 A 作为基材润湿剂时，获得平整连续涂膜的最低膜厚为 8~10 μm，低于其他润湿剂的最低成膜膜厚。说明相比其他润湿剂，润湿剂 A 有最好的降低样品表面张力、润湿基材的作用，但是如果 A 的加入量达到 0.5%涂膜会出现颗粒。

由以上结果，润湿剂 A 是在配方中降低样品表面张力的最优选择，但是润湿剂的加入量要控制在 0.5%以下以保证涂膜外观无异常。

2.4 抗流挂剂的选择

轨交行业对面漆的外观要求非常高，为了获得较好的涂层外观，现场的施工黏度一般为涂-4 杯 16~20 s，一方面对施工人员的喷涂手法提出了比较高的要求，另一方面要求产品在低黏度下有非常好的抗流挂性能。

针对水性高光聚氨酯体系，一般选用疏水改性碱溶胀（HASE）和聚氨酯（HEUR）类型的抗流挂剂。选用两种 HASE 抗流挂剂 A、B 和两种 HEUR 抗流挂剂 C、D，每种抗流挂剂分别添加 0.3%和 0.5%在配方中，探讨抗流挂剂对体系黏度、流挂膜厚、耐水性的影响，结果如表 7 所示。

由表 7 可知，随着抗流挂助剂添加量的提高，产品的黏度均明显提升；添加相同量的疏水改性碱溶胀型抗流挂剂（HASE）和聚氨酯型抗流挂剂（HEUR），HASE 对产品最终黏度的影响相对较小，但是对施工黏度下的抗流挂性能提升明显；HEUR 对涂膜最终黏度的影响较大，但是对施工黏度下的抗流挂性能无明显提升；随着抗流挂助剂用量的提升，施工黏度下抗流挂性能提升不明显；HASE 对涂膜的耐水性可能有影响，需要对涂膜的耐水性进行确认，HEUR 对涂膜耐水性影响相对较小。

综上所述，抗流挂剂 A 为最优选择。在体系中可以用 HASE 来提高产品低黏度下的抗流挂性能，用 HEUR 来微调黏度，提高体系的抗沉降能力。

2.5 消泡剂的选择和确定

涂料在生产和使用过程中都会吸入一定量的空气，形成泡沫，另外水性树脂在制备过程中有可能用到一些表面活性剂，导致相比溶剂型涂料，水性涂料更加稳泡。

水性聚氨酯底色漆为了达到和水性聚氨酯清漆比较好的相容性，其表干时间只有 30~40 min，相比面漆可供消泡的时间更短，所以对于消泡有更高的要求。

本实验选用不同厂家的 A、B、C 共 3 种消泡剂按照表 1 中的配方制备水性聚氨酯底色漆 A 组分和使用固化剂 C 制备的 B 组分混合，使用相同震荡机同时震荡混合 5 min，用制膜器在玻璃板和马口板上分别刮涂 200 μm 的湿膜，表干 20 min 后用背光灯和显微镜分别观察涂膜起泡情况，结果见图 2 和图 3。

由图 2 和图 3 结果可知，消泡剂 A 消泡性能最好，流平 20 min 后基本看不到气泡；消泡剂性 B 能较差，能看到明显的未消除的气泡；消泡剂 C 最差，可以看到大量的气泡和破泡无法流平的气孔。

所以在此体系中选用消泡剂 A 为最佳选择。

2.6 涂膜性能和外观

通过前期原材料的筛选，可以获得最优的原材料组合并形成最优水性聚氨酯底色漆配方。按照此配方来制备样品，并按照 Q/CR 546.1—2022 标准对涂膜的外观和性能进行检测，结果见表 8。

03、结论

通过对轨交用水性聚氨酯底色漆配方的研究，结果表明：

（1）本实验选用低羟值的水性羟基丙烯酸分散体，与水性聚氨酯清漆有着非常好的配套性，且复合涂层的无泡膜厚可达 150 μm；

（2）亲水改性固化剂会明显降低复合涂层的无泡膜厚，油性固化剂的黏度过高时会影响固化剂和主剂的相容性，所以应该选用低黏度的油性固化剂以平衡 A 组分和 B 组分的相容性和复合涂层的无泡膜厚；

（3）选用底材润湿剂时要同时考虑对体系表面张力的降低和涂层外观，避免因为润湿剂的量不合适导致的颗粒等涂膜弊病；

（4）配方抗流挂体系采用疏水改性碱溶胀（HASE）+聚氨酯（HEUR）抗流挂助剂复配的方式。用疏水改性碱溶胀（HASE）型抗流挂助剂来提高施工黏度下的抗流挂性能，用聚氨酯（HEUR）型抗流挂剂来适当提高体系黏度，提高体系抗沉降性能。

本实验开发所得水性聚氨酯底色漆能够满足 Q/ CR 546.1—2022 标准要求，能够满足现场施工和性能需要。

来源： 《涂层与防护》2024 年 11 月第 45 卷第 11 期