铁路货车用水性车间底漆的研究

陈强^1,2，苏黎明²

（1.中南大学，长沙 410000；2.中车长江车辆有限公司，湖南 株洲 412001）

摘要：以水溶性丙烯酸改性环氧树脂为成膜物质，通过添加有机改性铝钼正磷酸锌、防闪锈疏水化合物和其他助剂，制备出了水性铁红车间底漆。探讨了防锈颜料、pH调节剂、防闪锈剂和其他功能助剂的选用对漆膜性能的影响。结果表明：采用水溶性丙烯酸改性环氧树脂为成膜物质，以有机改性铝钼正磷酸锌和防闪锈疏水化合物复配使用为防锈体系，添加pH调节剂和其他功能助剂，可制备出综合性能优异、早期耐水性好、干燥速度快的水性铁红车间底漆，可满足铁路货车的使用要求。

关键词：水性车间底漆；水溶性丙烯酸改性环氧树脂；铁路货车；钢材预处理

0  引言

车间底漆，也称为预涂底漆或预处理底漆，是钢材抛丸除锈预处理后在流水线上喷涂的一层具有可焊性的防锈漆。车间底漆的作用是对经过抛丸处理的钢材表面提供短期保护，防止钢材在加工及组装期间发生锈蚀。

铁路货车使用的车间底漆品种主要有丙烯酸类、环氧酯类、聚乙烯缩丁醛类（即磷化车间底漆）和无机富锌类车间底漆等，这些车间底漆均为溶剂型油漆。目前应用较为广泛的主要为环氧酯车间底漆和磷化车间底漆，它们具有附着力强、机械性能优异、耐热性好、干燥速度快等优点，但因其施工时VOC排放高达600 ～ 700 g/L，使目前的钢材预处理工艺存在环境污染、材料浪费及人员安全健康等问题。

从目前涂料技术的发展趋势看，在金属防腐蚀领域，近年来涂料的水性化技术已逐步发展成熟，水性防腐涂料以其安全环保、使用方便和节约资源等优点，越来越多地受到各行各业的青睐。发展安全、环保的水性车间底漆是大势所趋，将很好地解决上述溶剂型车间底漆面临的诸多问题。

本试验研制的水性车间底漆以水溶性丙烯酸改性环氧树脂为主要成膜物质，辅以其他改性剂和水性助剂，涂布在钢材表面后，树脂中的羧基和环氧基之间发生交联反应，固化成膜，兼具了环氧树脂和丙烯酸树脂的优点。该车间底漆VOC含量低、干燥速度快、早期耐水性优良，且具有良好的附着力和防锈性能。

1  试验部分

1.1 主要原材料

水溶性丙烯酸改性环氧树脂，佛山同德；pH调节剂N，N-二甲基乙醇胺，巴斯夫；分散剂，德固赛；消泡剂，德固赛；润湿剂，空气化学；流平剂，毕克；特殊防闪锈疏水化合物，美国；触变剂LT，陶氏；有机改性铝钼正磷酸锌，日本；氧化铁红，上海一品；硅微粉，浏阳金马。

1.2 水性车间底漆的制备

将环丙烯酸改性环氧乳液加入搅拌釜中，在搅拌状态下依次加入N，N-二甲基乙醇胺、分散剂、消泡剂、触变剂和适量的水，然后500 r/min搅拌15 ～ 20 min，得均匀分散液；在上述分散液中边搅拌边加入颜填料，1 500 r/min搅拌15 ～ 20 min，研磨至细度≤45 μm；然后在1 500 r/min高速搅拌下，缓慢加入消泡剂、防闪锈剂、增稠剂和配方中余下的水，搅拌均匀，过滤包装。

1.3 配方

    水性铁红车间底漆配方见表1。 

表 1 水性铁红车间底漆配方

1.4 样板的制备

按GB/T 1727—1992中6.2喷涂法制备样板。检测耐化学试剂性、耐盐雾性时，干膜厚度为（75±5） μm，检测其他项目干膜厚度为（23±3） μm，在GB/T 9278—1998规定的温度和湿度下干燥7 d后进行各项性能测试。

1.5 施工条件

1.5.1 底材表面处理

底材的表面处理是决定漆膜附着力优劣的关键因素，水性车间底漆与油污等有机物质的相容性很差，同时，为了保证涂料中的有机改性铝钼正磷酸锌与底材充分接触，产生电化学防锈性能，要求底材表面必须清洁，不能任何污染，且要有一定粗糙度。

底材表面处理方法：涂装前应清除钢材表面的油脂、锈蚀和氧化皮等，达到GB/T 8923.1—2011中规定的Sa 2.5级的要求，表面粗糙度控制在30 ～ 80 μm范围内。喷漆前去除干净表面砂粒、尘土等杂质。

1.5.2 喷涂条件

喷涂时，可采用高压无气喷涂或空气喷涂。本试验采用是高压无气喷涂，压缩比为65∶1，喷嘴型号为12YB25，进气压力为0.8 MPa。施工时，要求环境温度高于-5 ℃，环境温度低于-5 ℃时，钢材要经过预热处理。

2 结果与讨论

2.1  水性树脂的选择

用于车间底漆的水性树脂要求具有干燥速度快、切割和焊接切割性能好、早期硬度和耐水性优异、适合流水线作业、重涂性好等优点。水性环氧酯树脂和水性醇酸树脂具有防腐性能优异、VOC含量低等优点，但是干燥速度较慢，不合适流水线作业，水性丙烯酸树脂虽然干燥速度快，但是防腐性能较差。本试验选择的水溶性丙烯酸改性环氧树脂具有干燥速度快、早期耐水性好等优点，树脂中含有的羧基和环氧基之间发生交联反应，固化成膜，兼具了环氧树脂和丙烯酸树脂的优点。

2.2  防锈颜料的选择

    防锈颜料对水性涂料的耐腐蚀性起到关键性作用。传统的红丹、铬酸盐等防锈颜料虽然防腐性能优异，但含有重金属，污染环境。本试验选用磷酸锌、三聚磷酸铝和有机改性铝钼正磷酸锌作为防锈颜料，与防闪锈疏水化合物复配使用，来评价漆膜的耐水和防锈功能（见表2）。从表2可以看出，选用有机改性铝钼正磷酸锌与防闪锈疏水化合物复配作为防锈体系时，能提高漆膜的耐盐雾性和早期耐水性。

表 2 防锈颜料的选择对漆膜耐盐雾性和耐水性的影响

2.3 助剂的选择

2.3.1 pH调节剂的选择

水性漆的pH对其贮存稳定性、黏度、涂膜早期性能均有一定的影响。在漆料研磨前应将漆料调至碱性，否则会影响油漆组分的分散状态，进而影响整个涂料的黏度和稳定性。表3为常用的4种pH调节剂的基本性能。

表 3 常用pH调节剂的基本性能

pH调节剂的挥发性对漆膜性能有较大的影响。在不同使用温度下选用合适的pH调节剂，有助于得到最佳的干燥速率，同时不会因为pH调节剂挥发太快而引起漆膜表面缺陷（如针孔、气泡等），或者挥发太慢而影响漆膜的干燥速率和早期耐水性。一般来说氨水因挥发太快，体系不稳定，不适合作pH调节剂；三乙胺碱性较弱，使用时加量较多；AMP-95沸点太高，常温干燥时在漆膜中挥发较慢，比较适合在烘烤环境中使用；N，N-二甲基乙醇胺具有较强的pH调节能力，常温干燥时挥发较快，成膜后不会残留在涂膜中。从pH调节剂的碱性强弱、挥发速度和经济效益3个方面综合考虑，选用N，N-二甲基乙醇胺作为pH调节剂。

2.3.2 防闪锈剂的选择

水性漆涂与钢材表面，在干燥过程中会产生闪锈，这些闪锈破坏了涂层与钢铁表面的附着，并且会在以后的日子里逐渐扩大锈蚀程度，使涂层失去保护作用。防闪锈剂可以抑制或降低涂层的腐蚀。本试验选用10%NaNO₂、FA179和防闪锈疏水化合物来评价漆膜的防锈性能（见表4）。

表 4 防闪锈剂的选择对漆膜耐盐雾性和耐水性的影响

从表4可以看出，选用防闪锈疏水化合物与有机改性铝钼正磷酸锌防锈颜料复配作为防锈体系时，能提高漆膜的耐盐雾性和早期耐水性。防闪锈疏水化合物是一种特殊的疏水化合物，它会附贴在钢材表面，并自行在涂料与金属间排列成一层致密的钝化膜，防止金属表面腐蚀及提供疏水层防止水汽侵蚀，从而提高早期耐水性及防锈性能。

2.3.3 其他助剂的选择

水性漆中含有的氧化铁红等颜填料比重较大，极易沉淀。添加分散剂有利于漆料细度的研磨，防止油漆贮存过程中返粗沉淀，同时，添加触变剂LT，也可防止油漆沉淀。车间底漆在生产、预混和施工时会产生大量气泡，气泡往往会给漆膜留下缩孔、针孔、鱼眼等缺陷，因此需要加入消泡剂。另外，水性漆以水为分散介质，水的表面张力大，对钢材没有润湿和展布作用，会出现缩、孔针等漆膜弊病，特别是钢材受到油污、汗渍等杂质污染时会更严重、因此需要加入基材润湿剂和流平剂。基材润湿剂和流平剂二者配合使用，可以避免漆膜产生弊病，得到平整光滑的漆膜。

2.4 涂膜性能测试与对比

    水性铁红车间底漆性能测试及对比见表5。

表 5 水性铁红车间底漆性能测试及对比

2.5 水性铁红环氧车间底漆与其他油漆的配套性

试验选取铁路货车常用的水性环氧酯底漆、水性底面合一漆以及厚浆醇酸底漆、铁红环氧磷酸锌底漆、环氧云铁厚浆底漆等溶剂型油漆进行试验。水性铁红车间底漆喷涂3 d后，分别喷涂水性环氧酯底漆、水性底面合一漆、厚浆醇酸底漆、铁红环氧磷酸锌底漆、环氧云铁厚浆底漆，自干7 d后测附着力，结果见表6。

表 6 水性铁红车间底漆与其他油漆的配套性测试

注：拉开法测试的附着力值一般达到3 MPa即为合格。

3 结语

    1） 研制的水性铁红车间底漆各项性能均能满足铁路货车车间底漆行业标准的要求，与国内外知名品牌水性环氧底漆相比，各项性能差异不大。

    2）选用有机改性铝钼正磷酸锌防锈颜料和防闪锈疏水化合物复配作为防锈体系时，能提高漆膜的耐盐雾性和早期耐水性；选用N，N-二甲基乙醇胺作为pH调节剂，在保证涂料碱性强弱、挥发速度的同时，能提高其经济效益。

    3） 研制的水性铁红车间底漆与铁路货车常用水性环氧酯底漆、水性底面合一漆以及厚浆醇酸底漆、铁红环氧磷酸锌底漆、环氧云铁厚浆底漆等溶剂型油漆配套性良好，符合铁路货车用车间底漆的使用要求，可进一步推广使用。

（详情见《现代涂料与涂装》2017-5期）