弹性涂料在高速机车上的应用问题

BMA004

摘要:分析和研究了高速机车试运行阶段暴露出来的涂层缺陷,通过实验,选择了满足高速机车性能要求的弹性涂料,有效地解决了问题。
    关键词:弹性涂料;高速机车;应用;涂膜缺陷
    0引言
    为适应我国铁路运输的第六次“大提速”,本公司组织研制了SS9改、“中华之星”等高速机车,创造了321km/h的中国铁路最高时速,为我国的铁路运输作出了突出的贡献。然而,在产品试运行阶段,发现机车车身漆膜起泡、开裂;车头、底架、转向架等部位漆膜被碎石击破等现象,这不仅影响了机车的外观质量,而且缩短了使用寿命,更危及了产品的市场前景。本文针对这一现象进行分析和研究,解决了这一问题。
    1分析和探讨
    针对机车漆膜缺陷的具体现象,分析了导致问题的原因,并查阅了大量的资料,发现国外高速机车是通过引入弹性涂料来解决类似问题的。
    1.1机车漆膜缺陷的具体现象
    漆膜缺陷主要表现为两种现象:
    ①车身涂刮的腻子与底漆之间起泡、开裂,起泡、开裂处腻子较厚,剥开腻子层后发现底漆状况良好;
    ②车头、排障器、底架、转向架等部位漆膜破损,有明显的碎石撞击痕迹。
    1.2导致高速机车漆膜缺陷的原因
    本公司在高速机车上使用的涂层体系、施工工艺与普通机车的相同,在整车外部使用环氧树脂底漆、不饱和聚酯腻子、聚氨酯树脂面漆的涂料体系[1],该体系在普通机车上应用多年效果良好,但应用到高速机车上却出现了上述问题,主要是因为:
    ①为降低机车自重,高速机车车体钢板比普通机车薄,导致车体不平整度增加。造成了机车外墙局部腻子层厚度远远大于普通机车,达到6～8mm。
    ②车速提高后,卷起的碎石增多,撞击力变大。
    1.3国外高速机车的解决办法
    据文献介绍[2],日本“新干线”列车是通过引入弹性腻子材料来解决这一问题的。在西门子机车的油漆施工图纸中,发现其底架、排障器、转向架部位采用了(厚涂型)弹性环氧面漆/弹性聚氨酯面漆,其漆膜厚度要求达到140μm以上。通过以上分析,在机车涂料体系中引入适合高速机车要求的弹性涂料,可有效解决高速机车涂装所面临的问题。
    2弹性涂料
    2.1弹性涂料简介
    弹性涂料是由基料、颜料、助剂和溶剂等组成的,因通常情况下颜料不具备弹性,故涂膜的弹性取决于基料的弹性和颜料的体积浓度。
    基料的弹性与其化学组成、相对分子质量及其分布,支化和交联、结晶的形态和结晶度,共聚、取向、增塑等有关。弹性涂料的弹性可用拉伸强度和延伸率来表示。
  2.2弹性涂料机理
    弹性涂料的基料玻璃化温度低,在常温下处于高弹态。为此基料的分子结构必须由线型长链大分子组成,线型大分子间存在少量交联键,其中链段在常温下能够移动或转动,是柔顺无规则的线团结构[4]。
    机车用弹性涂料主要有弹性环氧改性不饱和聚酯腻子、弹性环氧面漆,弹性聚酯改性丙烯酸聚氨酯面漆等。
    2.2.1弹性环氧改性不饱和聚酯腻子的弹性机理
    (1)添加乙烯基树脂改进不饱和聚酯弹性。
    乙烯基酯树脂是一种环氧树脂和一种含烯键的不饱和一元酸的加成反映产物[5],由于不饱和聚酯含酯基多、不饱和键多,加腻子固化剂后交联密度高,弹性低,乙烯基酯树脂酯基少,不饱和键少,加腻子固化剂后交联密度低,以及添加含醚类环氧树脂、长链一元酸等,所以弹性高。
    (2)添加柔性环氧酯树脂改进不饱和聚酯弹性。
    柔性环氧酯与不饱和聚酯可形成互穿网络结构,以提高弹性。
    2.2.2弹性环氧面漆弹性机理
    环氧树脂漆一般使用双酚A缩水甘油醚环氧树脂,因其分子结构中含芳环而有一定的硬度,又因含有醚键便于分子链的旋转而具有弹性。
    环氧基可与胺类、酚类、羟基、羧基等反应,双组分弹性面漆主要选择韧性好的聚酰胺类固化剂,其分子结构内含有活性的氨基,可在常温下与环氧树脂中的环氧基反应,交联而成网状结构。聚酰胺树脂在常温下是黏稠的液体,分子结构中含有较长的碳链和极性基因,具有很好的弹性和附着力,聚酰胺树脂反应基团组成较复杂,其中含有伯胺、仲胺、酰胺,故与环氧树脂配比范围宽,聚酰胺配比高时,漆膜弹性增加、耐化学品性下降,反之亦然。
    2.2.3弹性聚酯改性丙烯酸聚氨酯弹性机理
    (1)聚酯树脂的结构式:

聚酯树脂的结构式

    式中单体HO—R1—OH选用不规整的、相对分子质量大的醇(如1,2-丙二醇取代乙二醇)制得的树脂弹性大,同时单体HOOC—R2—COOH采用长链脂肪酸代短链脂肪酸也可提高弹性。
    (2)羟基丙烯酸树脂的结构式:(CH2—C(R1)(COO—R2OH))n
    式中R1为—H时,便于碳链的旋转,弹性好;R1为—CH3时,不便于碳链的旋转,弹性差;—R2OH为长链时弹性好。
    (3)氨酯键可以形成氢键,在外力作用下,氢键可分离而吸收外来的能量(每摩尔吸收20～25kJ)。当外力除去后又可重新再形成氢键,因此使聚氨酯漆膜具有高度机械磨性和柔韧性。同时加入紫外线吸收剂对漆膜长久保持弹性很重要。
3材料的确定
    3.1几种腻子的性能对比
    几种腻子的性能比较见表1。

表1几种腻子的性能比较

    从表1中可知,弹性环氧改性不饱和聚酯腻子具有很好的弹性,又因其他性能均能满足TB/T2393—2001标准中对腻子的要求,适合高速机车的腻子涂装要求。
    3.2几种面漆的性能对比
    几种面漆的性能比较见表2。

表2几种面漆的性能比较

    从表2中可知,弹性聚酯改性丙烯酸聚氨酯面漆具有很好的弹性,又因其他性能均能满足TB/T2393—2001标准中对面漆的要求,适合高速机车的面漆涂装要求。
    4涂装工艺的确定
    4.1涂料体系
    ①车体外墙:环氧改性聚氨酯底漆+弹性环氧改性不饱和聚酯腻子+聚氨酯中涂漆+丙烯酸聚氨酯面漆;
    ②底架、转向架、排障器:环氧改性聚氨酯底漆+弹性聚酯改性丙烯酸聚氨酯面漆(总涂层厚度在200μm以上)。
    4.2施工方法
    弹性环氧改性不饱和聚酯腻子和弹性聚酯改性丙烯酸聚氨酯面漆的应用,对施工方法有了新的要求:
    ①弹性环氧改性不饱和聚酯腻子可厚涂、触变性好、不易垂流,用1m长铝制刮刀,采用“十字交叉法”来进行整车外墙的前两道腻子施工,大大增加了机车的外墙平整度。
    ②弹性聚酯改性丙烯酸聚氨酯面漆属厚浆型涂料,其施工黏度大,需用高压无气喷涂机,采用“湿碰湿”喷涂工艺,才能得到理想的涂层。
5结语
    本公司于2004年初开始,在SS9改、乌兹别克斯坦车、DJ4等机车上批量使用了弹性涂料。这些机车在段运行两年多,漆膜仍完好如初,受到了用户的高度评价。弹性涂料的应用为国内高速机车涂层的耐久性找到了可靠的技术措施,具有良好的经济效益和社会效益。

fcax

个人觉得，机车上车体外墙用弹性漆应该是最好的，但车体内墙就不一定了。