戴惠新¹，郑云昊¹，吴金洋¹，魏瑞霞¹，王欣欣²

（1. 中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 210031；

2. 苏州佩琦材料科技有限公司，江苏 太仓 215434）

摘要：随着无苯化环保理念的不断加强，水性轨道车辆涂料逐渐取代了与之对应的溶剂类涂装材料。为了进一步提高涂料的环保性，以水性聚氨酯为主要材料，在其原本的基础材料上制备了2种可喷涂腻子，并尝试将淀粉引入可喷涂腻子当中，设计实验对其性能分别进行了验证。研究表明，第1种可喷涂腻子具有良好的耐冲击性和耐划伤性；第2种引入淀粉的可喷涂腻子因为其具有较好的耐腐蚀性、耐热性和较高的降解率，因此具有一定的环保性。提高了可喷涂腻子的耐用性和环保性。

关键词：轨道车辆；无苯化；可喷涂腻子；水性聚氨酯；涂料

前言

在机械零件加工领域中，零件制作时存在的缺点大幅度减小，因此能够对其正常喷涂底漆^[1]。为避免零件中的小缺陷产生较大影响，通常使用腻子填充，然后经过仔细抛光获得光滑的涂层^[2]。腻子选材和制造工艺会对其涂装性能产生直接影响^[3]。根据面漆专业研究者所述，只有对腻子制造得当，涂层性能才能得到最大限度的发挥^[4]。轨道车辆内部饰件所需的材料主要是纤维增强复合材料（FRP），涂料基本采用的是环氧底漆和聚氨酯面漆^[5]。面漆作为车辆内饰涂料的外表面涂料，不仅要具有优异的阻燃性和环保性，还要具有突出的耐划伤性和耐磨性，哑光砂纹理是目前最常见的面漆漆膜效果^[6-7]。基于以上内容，制作了2种不同的可喷涂腻子，通过实验验证了其性能。将淀粉引入可喷涂腻子，实现可喷涂腻子的环保性，为后续可喷涂腻子的发展奠定了一定的基础。

１材料与方法

1.1 可喷涂腻子的涂装手段和选择

1.1.1 涂装方法

腻子的涂装方法是一种应用广泛的刮涂方法，刮涂过程中不依赖其他设备，操作简单^[8]。只要应用得当，施工效果往往可以事半功倍^[9]。凹坑、划痕、刀纹、砂眼等缺陷一般会影响机械加工件（尤其是铸件）的涂装表面的涂装质量。此类缺陷的明显特征是小且多，分布特别分散^[10]。倘若使用刮腻子的手段，那么可能会产生工作质量低，甚至漏刮的现象。所以，刮腻子这种手段在机械零件中慢慢地失去了作用，而更适合的则是腻子喷涂手段。

1.1.2 可喷涂腻子的选择

选取腻子时，应该按照机械零件的特征（包括材料、表面条件和涂装方法）来完成选取^[11]。此外，因为腻子层的性能是受腻子影响的，所以选择腻子主要在于其效果和所选的涂装手段的合理性^[12]。

1.2 轨道车辆内饰用水性聚氨酯可喷涂腻子的制备与研究

1.2.1 实验原料

实验所需要的原料：高羟基含量水性聚丙烯酸分散体、亲水性脂肪族聚异氰酸酯、亲油性脂肪族异氰酸酯，科思创；无卤阻燃水性聚氨酯树脂，泰兴中纺；可厚涂抗起泡水性羟基聚丙烯酸分散体，江苏富琪森；分散剂、消泡剂、流平剂、有机蜡消光粉，毕克化学公司；消光蜡乳液，联固精细化学；润湿剂、消泡剂，TEGO；pH调节剂，Elementis；流平剂，中山长源富；增稠剂，广州东博；改性聚乙烯蜡抗划伤助剂，路博润；钛白粉，杜邦；颜料，英德科迪；1200目滑石粉、5000目超细滑石粉，中山永丰化工；高相对分子质量改性蜡砂面粉，东莞隆海新材料；纳米二氧化硅玻璃粉、纳米氧化铝抗划耐磨助剂、纳米硼酸锌、氢氧化镁、氢氧化铝、煅烧高岭土，市售；助溶剂，Dow；去离子水，自制。

1.2.2 主要仪器设备

实验所需的主要仪器设备：QFH 漆膜划格器，上海乐傲试验仪器有限公司；涂膜耐磨仪，TABER；小车式铅笔硬度计，广州标格达实验室仪器用品有限公司；QCJ 型漆膜冲击器，天津市中环试验仪器厂；QTX 漆膜柔韧性测定器，上海现代环境工程技术有限公司；X-Rite SP60 系列积分球式分光光度仪，爱色丽；GG60-E4 光泽度计，科仕佳光电仪器有限公司；精密型盐雾试验机，广东艾斯瑞仪器科技有限公司。

1.2.3 水性聚氨酯哑光可喷涂腻子的制备

轨道交通车辆内饰用水性聚氨酯哑光可喷涂腻子的配方如表1所示。

表1中，复合无机纳米材料、耐划伤耐磨中间体、立体消光浆、多功能消泡流平浆，均为实验自制。

1.2.4 水性聚氨酯哑光可喷涂腻子的制备

将 A 组分与 B 组分按一定的—NCO 和—OH物质量比例进行混合，手动或机械搅拌均匀。加入去离子水，稀释至施工黏度。15 min后开始涂装操作流程。

喷涂前，先用 320 玻璃钢基材用砂纸打磨，然后用高压风吹扫，用干净的抹布擦拭，保证基材表面喷涂前无灰尘、油污等。玻璃钢基材表面处理干净，按湿润工艺喷涂2次；2次喷涂相隔10～15 min，室温为 20～30 ℃。喷完 2 喷腻子后，在室温下干燥 10 min。然后放入（60±2）℃恒温室，烘烤60～90 min。2次喷腻子的干膜总厚度为40～60 μm。

1.3 环保型淀粉基水性聚氨酯可喷涂腻子的制备与性能

1.3.1 实验所需试剂

实验中所需要的试剂：原淀粉，河南恩苗食品有限公司；异佛尔酮二异氰酸酯，山东陌仟化工有限公司；双酚型环氧树脂、固化剂，山东优索化工科技有限公司；聚乙二醇、醋酸酐、冰醋酸、催化剂，成都市科龙化工试剂厂；水性聚氨酯，山东嘉佰丽防水工程有限公司。

1.3.2 醋酸酯淀粉的制备

在装有搅拌器、回流冷凝管和温度计的四口烧瓶中，将18 g原淀粉与50 mL冰醋酸混合搅拌均匀，加入55.0 mL乙酸酐作为酰化剂，滴2滴甲基磺酸作为催化剂，用水浴加热至75 ℃保温4 h；反应完毕后，把样品注入蒸馏水中循环冲刷，直至pH值中性产品过滤，置入50 ℃的真空干燥箱中干燥至恒重，即得到醋酸酯淀粉。

1.3.3 淀粉基水性聚氨酯的合成

在四口烧瓶中加入 4 g 异佛尔酮二异氰酸酯，1.8 g聚乙二醇和20 mL丁酮作为溶剂，用水浴加热至70 ℃保温反应2 h，然后升温至75 ℃，加入6.37 g以上制备的醋酸酯淀粉，再加入32.6 g聚乙二醇，并滴加3滴桂二丁基锡，之后保温4 h；然后冷却至50 ℃，加入10 mL蒸馏水，快速搅拌30 min，得到白乳液；减压蒸馏去除溶剂后，得到淀粉基水基聚氨酯。

1.3.4 可喷涂腻子的制备

将固化剂按比例与合成淀粉基水基聚氨酯和购买的水基聚氨酯混合。混合均匀后，在玻璃板和马口铁上喷涂和制膜。干燥箱分别为130 ℃下保温15 min，160 ℃下保温10 min，固化成腻子，然后进行下一次测试。

1.3.5 性能测试

对乳液（不添加固化剂）采取红外光谱分析、粒径分析和透射电镜测试，对固化后的可喷涂腻子采取腐蚀电位分析、耐热性测试和降解性能测试。

2 结果与分析

2.1 羟基聚丙烯酸分散体对水性聚氨酯哑光

可喷涂腻子性能的影响为解决碰湿后漆膜易起泡的问题，获得综合性能优异的可喷涂腻子，实验选择Bayhydrol A2695与AQUAPAC-8242羟基聚丙烯酸分散体，探讨其对聚氨酯漆膜性能的影响。2种羟基聚丙烯酸分散体及其对不同质量混合后喷涂腻子的影响如图1所示。

由图1可知，当2种羟基聚丙烯酸分散体的混合比例由3∶1降低为2∶1时，可喷涂腻子不起泡的最大膜厚为55 μm增大为63 μm；继续降低混合比，最大膜厚变化不大。此外，混合比为2∶1的喷涂腻子具有优异的耐冲击性、耐划伤性和耐磨性，各种性能满足轨道交通内饰水基涂料的性能要求。

2.2 环保型淀粉基水性聚氨酯可喷涂腻子的性能

2.2.1 傅里叶红外光谱分析

原淀粉、醋酸酯淀粉和淀粉基水性聚氨酯的FT-IR谱图如图2所示。

由图2可知，1 731 cm^-1 和1 226 cm^-1处的峰分别代表C==O和C—O的伸缩振动峰。3 442 cm^-1和1 518 cm^-1处的峰可归因于氨酯键 N—H 的伸缩振动吸收峰和变形振动吸收峰。与原淀粉相比，醋酸酯淀粉和淀粉基水性聚氨酯的峰更窄，峰强度更弱。以上分析表明，FT-IR 谱图显示淀粉基水性聚氨酯成功合成。

2.2.2 乳液的粒径及其分布分析

淀粉基水性聚氨酯乳液粒径分布如图3所示。

由图3可知，乳液粒径主要分布在100～200nm，平均粒径约为130nm，表明乳液粒径分布较窄，说明乳液粒径小且粒径分布均匀。此外还可得到，粒径为200nm左右时，乳液粒径的强度达到了最大。

2.2.3 可喷涂腻子的耐热性分析

淀粉基水性聚氨酯可喷涂腻子固化后涂膜的热重分析如图4所示。

由图4可知，涂膜的热分解曲线主要分为2个阶段，第1个阶段是100～380℃，这一阶段是由于高温下涂层树脂分子链和聚氨酯中硬段结构的分解，可归因于淀粉基水基聚氨酯分解产生二异氰酸酯和多元醇，硬段结构2异氰酸酯进一步分解产生二酰亚胺和异氰酸酯；第2阶段为380～600℃，这一阶段可能是由软段结构的多元醇分解引起的。分析表明，淀粉基水基聚氨酯涂层预计将达到200℃，在高温环境中有一定的应用。

2.2.4 可喷涂腻子的耐腐蚀性分析

淀粉基水性聚氨酯可喷涂腻子和聚氨酯可喷涂腻子固化后涂膜的极化曲线如图5所示。

根据式（1）可得淀粉基水性聚氨酯涂层样品的腐蚀电流密度为 1.15 A/cm² ；自腐蚀电位为-0.5 V时，聚氨酯涂层的腐蚀电流密度为3.16 A/cm²，表明淀粉基水基聚氨酯涂层具有较高的自腐蚀电位、较低的腐蚀速率和较低的腐蚀倾向。这可能是由于淀粉基水基聚氨酯喷涂腻子具有较高的交联密度，有利于提高水基聚氨酯涂层的耐腐蚀性。

2.2.5 可喷涂腻子的降解性能分析

聚氨酯可喷涂腻子和淀粉基水性聚氨酯可喷涂腻子的降解率变化结果如图6所示。

图6显示，淀粉基水性聚氨酯可喷涂腻子和聚氨酯可喷涂腻子的降解率在降解反应初期缓慢增加。随着时间的增加，曲线的斜率逐渐增加，说明降解速度加快，淀粉基水性聚氨酯可喷腻子的增加速度远大于聚氨酯可喷腻子。淀粉加入基水性后，淀粉基水性聚氨酯可喷腻子降解率达到52.8%，此时聚氨酯可喷腻子降解率约为15.9%。在同等条件下，淀粉基水性聚氨酯的降解率是聚氨酯的3.3倍，表明含淀粉基的可喷腻子的降解率迅速增加，淀粉基的引入有利于水性聚氨酯的降解。

3 结语

采用实验方法制作了2种基于水基聚氨酯的可喷涂腻子。实验结果表明，第一种可喷涂腻子具有优异的抗冲击性、耐划伤性和耐磨性，满足轨道交通内饰水基涂料的性能要求；制作的第2种可喷涂腻子因为加入了淀粉，相对于第1种较环保，而且具有较高的强度、抗腐蚀性、降解率和耐热性。存在的不足在于只对制作的样本利用实验进行了性能验证，而并未引入到实际的工程应用中，后续将对制作的可喷涂腻子的实际应用性能进行考察，为可喷涂腻子平滑度、光泽、丰满度以及其保护和装饰作用的加强提供参考。

来源：《粘接》2024年5月第51卷第5期