动车用不同品牌溶剂型和水性涂料混搭对涂料配套性能的影响.pdf

分析测试 ANALYSIS AND TEST动车用不同品牌溶剂型和水性涂料混搭对涂料配套性能的影响张晓成1，陈宇凡2，魏木孟*2，姚敬华2，孙禹1，杨洋1，范国栋2，杨博均2，王华清2，史治国2（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111；2.中国船舶集团有限公司第七二五研究所第九研究室，福建厦门361100）Influence of Combination between Different Brands ofSolvent-Based and Waterborne Coatings on CoatingPerformance摘要：研究了由4种不同品牌的溶剂型涂料和水性涂料混搭配套的涂料体系对涂层配套性能所产生的影响，由此确定了最佳的涂层配套体系。首先，对由4种不同品牌的溶剂型涂料和水性涂料混搭配套的涂料体系进行了附着力和耐磨性这两种涂层基础性能的测试分析，在此基础上，进一步对4种涂料体系进行划痕盐雾、紫外老化以及湿热加速试验，记录并分析服役过程中4种不同的涂料体系的宏观形貌以及各项性能指标的变化。最终确定了“大桥+亮克威泽”的涂料配套体系为最佳的配套体系。关键词：溶剂型涂料；水性涂料；混搭；配套性能中图分类号：TQ630.7+2文献标识码：A文章编号：2096-8639(2023)10-0032-08Zhang Xiaocheng1，Chen Yufan2，Wei Mumeng*,2，Yao Jinghua2，Sun Yu1，Yang Yang1，FanGuodong2，Yang Bojun2，Wang Huaqing2，Shi Zhiguo2(1.CRRC Qingdao Sifang Co.Ltd.,Qingdao,Shandong 266111,China；2.The 9th Research Office ofLuoyang Ship Material Research Institute,Xiamen,Fujian 361100,China)Abstract:The influence of four different brands of solvent-based coatings and waterborne coatingson the synergic coating performance is studied,and the best synergic coating system is determined.Firstly,the adhesion and wear resistance of the coating systems of four different brands of solvent-based coatings and waterborne coatings are tested and analyzed.Then the scratch salt spray,UVaging and humidification heat acceleration tests are further carried out for the four coating systems,and the changes of the macro morphology and various performance indicators of the four differentcoating systems during service are recorded and analyzed.The synergy of coating branded withBridge and Liangkeweize is finally determined as the best supporting system.Keywords：solvent-based coatings;waterborne coatings;synergy;supporting performance*通讯作者涂层与防护第44卷第10期2023年10月Vol.44 No.10Oct.2023COATING AND PROTECTION32分析测试 ANALYSIS AND TEST0 引言涂覆有机涂层因其成本低廉、易于施工、防护性能好以及装饰性好等优势，被广泛应用于机械装备表面的腐蚀防护工作中1-2。在实际的服役过程中，由于服役环境往往是较为严苛的，环境中温度、相对湿度以及光照等因素往往会加速涂层的失效破坏。涂层在环境中各腐蚀因素的作用下出现失光、溶胀、起泡、开裂以及粉化等失效行为，涂层的各项物理化学性能发生不可逆的劣化，进而导致涂层的失效破坏3-4。目前常见的有机涂料因制备过程中选用溶剂类型的不同可以分为溶剂型涂料和水性涂料两大类。溶剂型涂料的优势在于其易于涂刷、耐蚀性能好，在耐温、耐蚀、防污损、防微生物粘附以及微波吸收屏蔽等领域均有较为广泛的应用5-8。但是溶剂型涂料同样存在易释放有害物质、漆膜干燥后物化性能不稳定以及漆膜韧性较差等劣势。水性涂料的优势在于其物化性能较为稳定、漆膜韧性好，不易产生缺陷以及环保性好，但其漆膜硬度和耐磨性能与溶剂型涂料相比仍有差距9-12。因此，在对金属表面进行涂装时，往往会对涂料的配套体系进行设计13。溶剂型涂料和水性涂料的配套是涂料配套体系中较为常见的设计方案14-15。这样能够使得溶剂型涂料和水性涂料的优势实现互补，同时也能有效规避溶剂型涂料和水性涂料的劣势。本实验基于动车组平台应用实际，选取不同品牌的溶剂型涂料和水性涂料进行涂料体系混搭设计，从涂层附着力、光泽、色差以及耐磨性等基础性能入手，分析不同品牌的溶剂型涂料和水性涂料混搭对涂料配套性能的影响。这对用于新造平台的涂料体系的设计和研发具有重要意义。1 试验1.1 涂料体系搭配设计1.1.1 涂料选择根据动车组新造平台防护涂料实际列装情况，本项目溶剂型涂料采用维新制漆（江西）有限公司（RH-3012 双组分环氧底漆、RH 双组分弹性不饱和聚酯腻子）、上海大桥化工有限公司（EP100 双组分环氧底漆、AP170 弹性不饱和聚酯腻子）的典型产品作为涂料体系的底漆和腻子层来使用。水性涂料采用优美特（北京）环境材料科技股份公司（CZ266水性聚氨酯中涂、CM366 白色水性聚氨酯面漆、CM366 水性聚氨酯清漆）、三河亮克威泽工业涂料有限公司（AG70 水性双组分中涂漆、AD39 白色水性聚氨酯面漆、SF52水性聚氨酯清漆）、太仓佩琦涂料有限公司（W/PZT水性白色高光聚氨酯中涂、W/PMQNCS白色水性聚氨酯面漆、W/PQQ 96009水性清漆）的典型产品，用作中间漆、面漆和清漆。配套体系如表 1 所示。后续以各自序号作为简称代表各配套模式。配套体系序号1(WWLLL)2(WWPPP)3(WWYYY)4(DDLLL)溶剂型底漆维新维新维新大桥溶剂型腻子维新维新维新大桥水性中间漆亮克威泽太仓佩奇优美特亮克威泽水性面漆亮克威泽太仓佩奇优美特亮克威泽水性清漆亮克威泽太仓佩奇优美特亮克威泽备注序号1、2、3对比水性中间漆-面漆-清漆品牌影响序号1、2、3对比水性中间漆-面漆-清漆品牌影响序号1、2、3对比水性中间漆-面漆-清漆品牌影响序号1、4对比溶剂型底漆-腻子品牌影响表 1 动车用不同品牌溶剂型涂料和水性涂料体系的混搭方案Tab.1 Synergic scheme of different brands of solvent-based coating and waterborne coating for vehicles1.1.2 样板制备本研究选取的样板为涂层试验标准样板，尺寸为170 mm75 mm2.5 mm。样品基材为铝，涂刷前表面采用喷砂处理，然后依据所选涂料的产品说明书要求进行底漆喷涂、腻子刮涂、中间漆涂装、样板封边以及面漆和清漆的喷涂。涂层体系涂装过程控制总膜厚在(500150)m，新造平台样品制样的过程照片如图1（a）（f）所示。1.2 试验方法1.2.1 涂层体系附着力测试涂层体系附着力按照国家标准 GB/T 52102006色漆和清漆 拉开法附着力试验 进行。所采用的仪器为美国 PosiTest AT-D 液压附着力测试仪，测试范围为 020 MPa。为保证试验的准确性，每种配套体系的涂层取 3 个位置分别测试其附着力，最后结果取张晓成，等：动车用不同品牌溶剂型和水性涂料混搭对涂料配套性能的影响33分析测试 ANALYSIS AND TEST其平均值。1.2.2 涂层体系耐磨性测试涂层体系耐磨性测试按照国家标准 GB/T 17682006色漆和清漆 耐磨性的测定 旋转橡胶砂轮法进行。通过判定涂层试验前后的质量变化来表征涂层耐磨性能的好坏。保证试验的准确性，每种配套体系的涂层取 3 个平行样分别测试其试验前后质量变化，最后结果取其平均值。1.2.3 涂层体系划痕盐雾加速试验测试根据国家标准 GB/T 101252012 人造气氛腐蚀试验 盐雾试验 要求，在中性盐雾试验箱中，对4种不同配套涂层体系开展划痕盐雾实验。设备主体为美国 CCT-1100 盐雾试验箱（工作温度：室温 570;精度：1；盐雾收集量：12.5 mL/min）。根据项目实施计划要求，每 200 h 开展过程检查，摄取样板宏观形貌并进行对比分析。1.2.4 涂层体系紫外老化加速试验测试根据国家标准GB/T 145222008机械工业产品用塑料、涂料、橡胶材料人工气候老化试验方法 荧光紫 外 灯标 准 要 求，在 紫 外 试 验 箱 中（美 国 QUV/SPRAY，光照循环温度范围：4580;冷凝循环温度范围：4060），对4种不同配套涂层体系开展实验，根据项目实施计划要求，每200 h开展过程检查，试验周期为1 000 h。1.2.5 涂层体系湿热加速试验测试根据国家标准 GB/T 17402007漆膜耐湿热测定法 标准要求，在湿热试验箱中（德国DEJC-225，温度范围：-70150），对 4 种不同配套涂层体系开展湿热暴露实验。根据项目实施计划要求，试验启动后，连续试验48 h检查一次，两次检查后,每72 h检查一次，每次检查调换样板位置。2 结果与讨论2.1 涂层体系附着力变化情况对 4 组溶剂型、水性混搭配套涂层体系分别测试其附着力，结果如表2所示。从表2可以看出，在溶剂型涂料和水性涂料混搭配套的体系中，底漆和腻子层相同时，所有品牌的附着力配套性能不相上下，太仓佩琪水性涂料与维新溶剂型涂料的附着力配套性略微高一点；在中间漆/面漆/清漆相同时，大桥底漆和腻子的附着力配套优于维新底漆和腻子。2.2 涂层体系耐磨性变化情况对 4 组溶剂型、水性混搭配套涂层体系分别测试(a)基材喷砂处理；(b)底漆喷涂；(c)腻子刮涂；(d)中间漆涂装及样板封边；(e)面漆及清漆喷涂；(f)涂层体系涂装成型）图 1 试验用涂层样板制备流程Fig.1 Preparation process of coating sample for test序号1234涂层配套体系WWLLLWWPPPWWYYYDDLLL附着力/MPa/3.272.753.453.632.883.023.253.143.413.663.92平均附着力/MPa3.013.323.143.66表 2 4种不同的溶剂型涂料和水性涂料混搭配套涂层体系的附着力测试结果Tab.2 Adhesion test results of four different solvent-based and waterborne mixed coating systems张晓成，等：动车用不同品牌溶剂型和水性涂料混搭对涂料配套性能的影响34分析测试 ANALYSIS AND TEST其耐磨失质量情况，结果如表 3 所示。从表 3 可以看出，涂层体系耐磨性的变化同涂层体系的平均质量损失呈负相关。因此可以看出，底漆和腻子相同而中间漆、面漆和清漆不同时，耐磨性排序为太仓佩琪漆优美特漆亮克威泽漆；当中间漆、面漆和清漆相同而底漆和腻子不同时，大桥漆的耐磨性略微优于维新漆。结合附着力和耐磨性的测试结果，可以看出，在附着力大小差距不大的条件下，水性涂料体系选用亮克威泽品牌的体系时，能够有效地提升涂层的耐磨性，减少涂层的平均质量损失。当中间漆、面漆和清漆体系相同而底漆和腻子体系不同时，底漆和腻子体系选用大桥品牌与维新品牌相比，与亮克威泽品牌的中间漆、面漆、清漆体系相结合能更有效地提升了涂层体系的整体基础性能。2.3 涂层体系划痕盐雾加速试验测试结果分析新造平台溶剂型、水性混搭配套涂层体系的划痕盐雾加速试验结果如表 4 所示。每种涂层配套体系样板出现鼓泡的时间和鼓泡位置均用红圈标记出来。从表 4 可以看出，所有不同混合体系的涂层划痕样板，经400 h中性盐雾试验后全部失效，失效的方式全部为鼓泡。WWLLL配套体系所经历的失效历程最短，在经历200 h后即出现了鼓泡。进一步分析可以看出，在底漆和腻子体系不变的情况下，中间漆、面漆以及清漆体系选用亮克威泽漆时，涂层在盐雾环境下的防护性能最差；当固定中间漆、面漆以及清漆体系时，大桥体系相较于维新体系能够提升涂层在盐雾环境下的防护性能。对盐雾试验后的样板开展剥离试验，结果如图 2所示。从图2可以看出，腻子/中间漆界面在剥离试验中全部完整脱离。说明 4 种涂层体系在服役 400 h 后均发生了失效破坏，破坏位置为腻子/中间漆界面。进一步观察可以看出，在底漆和腻子体系不变的情况下 图 2(a)、(b)、(c)，中间漆、面漆以及清漆体系选用亮克威泽漆时,其腻子/中间漆界面处失效破坏最为严重，界面剥离面积最大。当固定中间漆、面漆以及清漆体系时 图2(a)和(d)，选用大桥品牌涂料相较于维新品牌涂料，其界面剥离的严重程度低于维新涂料，界面剥离处没有观察到明显的凹陷。说明选用大桥涂料能够提升涂层体系在盐雾环境下的防护性能。2.4 涂层体系紫外老化加速试验测试结果分析新造平台 4 种不同的溶剂型、水性混搭配套的涂层体系经紫外老化加速 1 000 h 的样板宏观形貌如图3所示。可以看出，所有试验样板经过1 000 h紫外试验后，均未观察到鼓泡、裂纹、剥落、严重粉化等失效现象，说明 4 种不同的涂层体系仍然具有较好的防护性能。但是，涂层体系表面的颜色发生变化，涂层表面变暗。对不同暴露时长的样板，按照国家标准 GB/T97542007色漆和清漆 不含金属颜料的清漆漆膜20、60和85镜面光泽的测定 开展表面光泽测试。由于本次实验选择的涂料类型为高光涂料，因此选取 20的几何镜面光泽结果为涂层的光泽结果，如表5所示。4种配套涂层的光泽随时间的演变规律见图 4。从图 4 可以看出，所有样板的光泽随实验时间序号1234涂层配套体系WWLLLWWPPPWWYYYDDLLL实验前/g86.958 491.609 489.963 685.824 187.239 990.613 888.468 186.710 792.747 388.732 788.332 489.947 0试验后/g86.911 791.562 989.921 685.743 087.178 290.553 688.413 986.640 192.704 488.695 988.286 389.906 2质量损失/g0.046 70.046 50.042 00.081 10.061 70.060 20.054 20.070 60.042 90.036 80.046 10.040 8平均质量损失/g0.045 10.067 70.055 90.041 2表 3 4种不同的溶剂型涂料和水性涂料混搭配套涂层体系的耐磨性能测试结果Tab.3 Test results of wear resistance of four different solvent-based and waterborne mixed coating systems张晓成，等：动车用不同品牌溶剂型和水性涂料混搭对涂料配套性能的影响35分析测试 ANALYSIS AND TEST序号WWLLLWWPPPWWYYYDDLLL新造平台溶剂型、水性混搭配套涂层样板划痕耐盐雾试验时间/h试验前200400/表 4 4种不同的溶剂型涂料和水性涂料混搭配套涂层体系的划痕耐盐雾试验结果Table 4 Scratch and salt spray resistance test results of four different solvent-based and waterborne mixed coatingsystems(a)(d)依次为：WWLLL、WWPPP、WWYYY、DDLLL图 2 4种不同的溶剂型涂料和水性涂料混搭配套涂层体系的划痕剥离结果Fig.2 Scratch stripping results of four different solvent-based and waterborne mixed coating systems(a)(d)依次为：WWLLL，、WWPPP、WWYYY、DDLLL图 3 涂层样板紫外试验1 000 h形貌Fig.3 Morphology of coating sample after UV test for 1 000 h的增加有趋向一致的趋势，这可能与光线无法穿透中间漆层从而进入底漆和腻子层体系，涂层的光泽仅与中间漆、面漆以及清漆体系有关。因此，当固定底漆和腻子体系不变时，涂层初始光泽对涂层暴露试验后期的光泽的影响较大，初始光泽方面亮克威泽优美特太仓佩琪。根据国家标准 GB/T 11186.21989涂膜颜色的测量方法 第二部分：颜色测量 以及 GB/T 11186.31989涂膜颜色的测量方法 第三部分：色差计算 对涂层进行色差测量，计算样板紫外试验不同时间平均CIE1976色空间坐标，如表6所示。色差值结果如表7所示。实验前后色差随时间的演变规律如图 5 所示。从图 5 可以看出，涂层色差均体现为先增大后减小的规律；涂层色差变化发生在实验前600 h，后期试验对张晓成，等：动车用不同品牌溶剂型和水性涂料混搭对涂料配套性能的影响36分析测试 ANALYSIS AND TEST表 5 4种不同的溶剂型涂料和水性涂料混搭配套涂层体系不同时间的平均20几何镜面光泽Tab.5 Average gloss(20)of four different solvent-based and waterborne mixed coating systems at different times序号1234新造平台溶剂型水性混合配套涂层样板耐紫外试验时间/h试验前84.06756.00061.73384.06720082.46754.26774.36769.70040043.43357.70050.20060070.33343.96772.00070.70080068.96766.66767.13369.9001 00067.60067.53369.90064.933图 4 4种不同的溶剂型涂料和水性涂料混搭配套涂层体系服役1 000 h后的光泽变化Fig.4 Gloss changes of four different solvent-basedand waterborne mixed coating systems after 1 000hours of service色差影响不大；4种涂层配套体系在紫外试验过程中，更换不同中间漆、面漆和清漆体系，其色差变化排序为太仓佩琪亮克威泽优美特。2.5 涂层体系湿热加速试验测试结果分析4 种不同溶剂型、水性混搭配套涂层体系开展湿热暴露实验48 h后的实验结果如图6所示。从图6可以看出，所有涂层配套均在 48 h 后出现鼓泡现象，样板失效。当底漆和腻子层体系不变时，通过观察图片可以发现，亮克威泽配套漆的鼓泡方式为“少而大”、太仓佩琪和优美特表现为“密而小”的规律。当中间漆、面漆和清漆体系不变时，选用维新品牌底漆和腻子体系的涂层其表面鼓泡严重程度要高于选用大桥测试时间/h测试前2004006008001 000坐标LabLabLabLabLabLab样品序号191.74-2.374.2091.94-2.4012.35101.95-3.0614.4289.31-2.4715.4489.18-2.4015.3189.19-2.4315.75290.50-0.953.6288.76-1.5718.4895.82-1.7621.2188.38-1.9114.4289.22-2.4015.2589.11-2.4015.70388.26-0.4810.6589.330.3212.15100.15-0.0313.5286.930.2813.4486.860.3013.4886.750.3213.46491.74-2.374.2091.52-2.4014.43104.10-3.1017.6089.22-2.4716.0289.01-2.4116.0789.00-2.4016.11表 6 4种不同的溶剂型涂料和水性涂料混搭配套涂层体系不同时间的涂层CIE1976色空间坐标结果Tab.6 The results of CIE1976 color space coordinates of four different solvent-based and waterborne mixed coatingsystems at different times张晓成，等：动车用不同品牌溶剂型和水性涂料混搭对涂料配套性能的影响37分析测试 ANALYSIS AND TEST样品序号1234200 h8.1614.972.0110.23400 h14.4618.4012.2418.24600 h11.5011.053.1812.09800 h11.4111.793.2512.181 000 h11.8312.243.2912.22图 5 4种不同的溶剂型涂料和水性涂料混搭配套涂层体系服役1 000 h后的色差变化Fig.5 Color difference changes of four differentsolvent-based and waterborne mixed coating systemsafter 1000 hours of service表 7 4种不同的溶剂型涂料和水性涂料混搭配套涂层体系不同时间的涂层色差值结果Table 7 The results of color of four different solvent-based and waterborne mixed coating systems at different times品牌的底漆和腻子体系的涂层。3 结语（1）基于动车组新造平台 4 种不同溶剂型涂料、水性涂料的混搭涂层体系的基础性能指标中附着力和耐磨性的测试结果，可以认为水性涂料体系选用亮克威泽品牌的体系时，能够有效地提升涂层的耐磨性，减少涂层的平均质量损失。底漆和腻子体系选用大桥品牌，与亮克威泽品牌的中间漆面漆清漆体系相结合有效地提升了涂层体系的整体基础性能。（2）通过对比分析动车用新造平台 4 种不同溶剂型涂料、水性涂料的混搭涂层体系在划痕盐雾、紫外老化以及湿热这 3 种加速试验条件下的结果，认为底漆和腻子体系选用大桥品牌涂料，中间漆、面漆和清漆体系选用亮克威泽品牌涂料时，在各加速实验条件下的防护性能最好。因此，底漆和腻子体系选用大桥品牌涂料且中间漆、面漆和清漆体系选用亮克威泽品牌涂料进行相应的涂层体系配套设计，可以有效应用于动车组新造平台的腐蚀防护工作中。参考文献1侯保荣.腐蚀成本与经济发展J.中国科技产业,2020（2）:21-22.2曹楚南.中国材料的自然环境腐蚀M.北京：化学工业出版社，2005:503.3FUNKE W.Problems and progress in organic coatingsscience and technologyJ.Progress in Organic coatings,1997,31(1-2):5-9.4刘新.防腐蚀涂料涂装技术M.北京：化学工业出版社，2016:299.5李慧娟,王国建.船舶防污涂料研究进展J.涂料工业,2005,35(3):45-49.6SUN J,WANG L,YANG Q,et al.Preparation ofcopper-cobalt-nickel ferrite/graphene oxide/polyanilinecomposite and its applications in microwave 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