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原文传递水性环氧/聚氨酯涂料的研制及其在轨道车辆中的应用

论文题名：	水性环氧/聚氨酯涂料的研制及其在轨道车辆中的应用
关键词：	轨道交通车辆;水性环氧涂料;水性聚氨酯涂料;附着强度;碳纤维复合材料基材
摘要：	轨道交通车辆由于制造材质的多样性和运行环境的复杂性，往往需要涂层对其进行防护。溶剂型环氧/聚氨酯涂层体系因其优异的性能而被普遍采用，但涂装过程中大量排放的可挥发性有机物易对大气环境造成污染。环氧/聚氨酯涂料的水性化，可在保持涂层力学性能、防腐性能、施工性能、装饰性能的基础上，提高环保性能，是轨道交通车辆涂料与涂装领域向绿色化学发展的重要研究方向。本文针对轨道交通车辆应用的性能要求，设计制备了水性环氧/聚氨酯涂料体系，从力学、防腐、施工、外观四个方面评价了涂层性能，研究了涂层固化反应速率影响因素、助剂作用机理等，为施涂工艺的确立提供一定的理论指导。　　通过优选水性环氧树脂类型及优化反应基团当量比，并添加与基材表面和环氧树脂中的羟基具有反应性的硅溶胶锚固剂及鳞片状功能填料，制备了一种适用于轨道交通车辆应用的水性环氧底漆。结果表明，水性环氧底漆具有优异的力学性能和防腐性能：在铝合金基材上的附着强度达到7.51MPa，超过高速动车组≥4.00MPa要求；耐盐雾性测试达到1500h，超过轨道交通行业1000h的要求。此外，在可靠性要求更高的牵引梁所用7N01铝合金上还探索研究了微弧氧化（Microarcoxidation,MAO）处理及硅烷偶联剂表面改性对水性环氧底漆的影响，发现这些手段可使得涂层的力学性能进一步明显提升。　　在水性聚氨酯中涂漆中引入了自行制备的线性-枝状两亲碳硅烷嵌段界面剂（amphiphilicLinear-DendriticcarbosilaneBlockSurfactant,LDBS），LDBS枝状亲油端可在聚异氰酸酯液滴表面铺展包覆，使水和聚异氰酸酯形成物理隔离，抑制了二者之间产生CO2气体的副反应，提升了双组分水性聚氨酯涂料在成膜过程中的最高无泡涂膜厚度（BubbleFreeFilmThickness，BFFT），可由行业普遍的80μm提高至120μm，并采用红外光谱法证实了LDBS对副反应抑制的有效性。另外，研究了水性聚氨酯中涂漆干燥时间ti与施工环境温度Te、相对湿度W和风速S参数的关系，运用统计分析软件SPSS建立了干燥时间与这些参数间的预测数学方程，适用于水性聚氨酯中涂漆在不同温湿度和通风下干燥速度的预测，误差在10.0%以内的准确率达93.75%，可为工程化应用的施工工艺设置提供指导。　　利用红外跟踪法表征了水性聚氨酯面漆成膜过程中羟基与异氰酸酯的反应程度，研究了助溶剂丙二醇二醋酸酯（1,2-Propyleneglycoldiacetate，PGDA）对羟基与异氰酸酯基之间化学反应速度的影响，采用MaxTrautz及WilliamLewis的碰撞理论和Houghes-Ingold规则对影响机制进行了分析和探讨，发现当PGDA的添加量在10%时，协同扩散作用和溶剂效应相当，交联固化反应速度最快。研究了水性聚氨酯面漆中流平剂对光泽和重涂性的影响，发现引入的可层移流平剂可有效提升多道涂装面漆的光泽，而并不影响多道涂装面漆的层间附着力（重涂性），采用XPS对可层移流平剂的迁移性进行了表征。通过引入纳米金属氧化物，利用其对紫外线的吸收和散射作用，提高了水性聚氨酯面漆涂层的耐候性能，经过1500h的人工气候加速老化试验后，涂层仍能保持较好光泽，优于轨道交通行业普遍采用有机紫外吸收剂1000h人工气候加速老化试验防护能力的水平。　　采用所制备的水性环氧底漆、水性聚氨酯中涂漆和水性聚氨酯面漆在时速600公里高速磁浮车辆上进行了涂装实验工程化研究，对关键涂装工艺参数进行了设计，尤其确定了水性聚氨酯中涂漆和面漆的干燥温湿度要求（表面风速约2m/s的良好通风、温度为25±5℃，相对湿度低于70的环境），并对涂装车辆复合涂层的附着强度、光泽等基本性能进行了测试，完全符合轨道交通车辆的应用要求。此外，对研制的水性涂料在碳纤维复合材料基材上的涂装进行了探索研究，发现添加硅烷锚固剂的水性环氧底漆涂层在经过打磨处理后的碳纤维复合材料基材上的附着强度高达7.46MPa；同时也研究了硅溶胶锚固剂对提升水性环氧底漆在碳纤维复合材料上附着强度的作用，发现未添加硅溶胶锚固剂的水性环氧底漆的附着强度仅为3.52MPa，无法达到轨道交通行业的要求，表明了硅溶胶锚固剂在碳纤维复合材料涂装上对附着强度提升的有效性。
作者：	王瑞涛
专业：	化学工程与技术
导师：	姜兆华
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2021