玻璃钢-陶瓷复合材料在轨交车辆上的应用

玻璃钢-陶瓷复合材料在轨交车辆上的应用

frp轻、硬、机械强度高、耐腐蚀性好、稳定性好。这是一种广泛使用的材料。表面涂装可进一步提升玻璃钢制品质量在多数情况下，耐磨、防污、耐高温阻燃的防护涂层都较受欢迎，在轨道交通车辆内部这类人流密集、接触频繁、产品使用周期较长的场合尤为如此。耐磨可以防止触碰摩擦对涂层的破坏，提高使用寿命；防污可以使制品长时间保持清洁美观；耐高温阻燃可以提高应用场合的安全性，增加紧急情况下的逃生时间。在我们最近承接的多个项目中，客户对产品耐磨性、耐高温性能提出了更高的技术要求，传统有机涂料已不能满足需要。基于溶胶-凝胶法制备的纳米陶瓷涂料以甲基硅树脂为主要成膜物，涂层硬度高、耐磨性好、耐高温阻燃、防污性能优异，应用在喷砂不锈钢、铝合金基材表面具有良好的效果本文研究了玻璃钢基材用陶瓷复合涂层的制备方法，探讨了柔性陶瓷罩光清漆中增韧体的加入量对涂层硬度、耐磨性和耐高低温循环性能的影响。最后以片状模塑料（SMC）玻璃钢座椅为涂装对象，研究了涂装工艺对产品外观的影响。1实验部分1.1原料和设备玻璃钢样板及SMC玻璃钢座椅：自制；S-300柔性陶瓷罩光清漆（包括11.2清漆和甲基硅树脂在打磨、除油的玻璃钢片材上，按照传统的方法依次施工环氧底漆、腻子、PU中涂，彻底干燥后打磨备用。喷涂免打磨面漆，在40℃下预干燥25min后喷涂不同配比的柔性陶瓷清漆，干膜膜厚控制在30mm，室温下预干燥10min后放置在60℃下固化24h。柔性陶瓷清漆由A、B、C3个组分组成，其中A、B组分用于原位制备成膜所需的甲基硅树脂，C组分为固含45%的增韧乳液。使用时，首先将A、B组分混合搅拌6～8min使其成均一体系，期间有明显的放热，在此过程中，A、B组分所含的活性硅氧烷物质水解、缩合生成羟基封端的甲基硅树脂。放置20min后加入计量的C组分并再次搅拌均匀，用300目以上的丝网过滤即可使用。由于陶瓷涂料是弱酸性体系且陶瓷涂料的水解、缩合是在酸催化下进行的，因此，陶瓷涂料配制需要在不锈钢、塑料、玻璃等不易遇酸发生反应的容器中进行，搅拌也需要选用不锈钢或四氟乙烯包裹材料，否则容易导致配漆失败或者涂料配置好以后光泽不稳定甚至凝胶。按规定操作，本研究中所制备的柔性陶瓷清漆30℃下的适用期均超过24h。1.3性能试验1.3.1制备陶瓷清漆体系取60g柔性陶瓷罩光清漆A组分，按照质量比1∶1加入陶瓷清漆B组分，快速搅拌6～8min使A、B组分混合成均一体系，室温放置20min备用。把上述混合物均匀分成3份，分别加入12g11.3.2德国制造涂层的硬度和耐水性选用31.3.3低温循环交变涂层按照Q/CR546.2—2016测试玻璃钢陶瓷复合涂层的高低温循环交变性能。由于陶瓷涂料是通过硅羟基的缩合实现固化的，这是一个可以自发进行的化学反应，固化温度的高低影响固化的速度，但并不影响固化的最终状态。1.3.4性能测试方法附着力按照GB/T5210—2006进行测定；耐冲击性按照GB/T1732—1993进行测试；防火性能参照EN45545-2:2013进行测试；耐湿热性按照GB/T1740—2007进行测试；耐水性按照GB/T1733—1993进行测定；耐酸、耐碱、耐溶剂按照GB/T9274—1998对应的部分进行测定。2结果与讨论2.1陶瓷罩光清漆本研究制备的玻璃钢陶瓷复合涂层的结构如图1所示，其从下到上分别是玻璃钢基材、环氧底漆、腻子、PU中涂、免打磨面漆和柔性陶瓷罩光清漆。由于技术、工艺等原因，刚生产出来的玻璃钢常常有很多表面缺陷，当SMC制品表面有空洞时，若直接采用喷涂涂装，漆膜表面容易形成气孔在对涂层耐磨性要求略低的应用场合，免打磨面漆和柔性陶瓷罩光清漆可以用一道柔性陶瓷色漆代替。即便如此，在这种情况下，免打磨水性PU面漆加柔性陶瓷清漆的技术方案依然是有价值的，其使用更方便、涂层效果更丰富、光泽更稳定等。2.2涂层耐磨性测试甲基硅树脂与其他类型树脂的相容性不好，选用有机乳液增韧甲基硅树脂时，经常会因为微观结构的折射率差异较大而导致涂层呈乳白色，透光率不高。实验合成了3种乳液作为柔性陶瓷罩光清漆的C组分，分别记作1从图2可以看出，2实验继续研究了3从表2可以看出，随着增韧乳液添加比例的提高，复合涂层的硬度逐渐降低，然而复合涂层的耐磨性却呈U型变化。当n=0.2时，复合涂层铅笔硬度为7H，磨耗为11.6mg；当n=0.6时，铅笔硬度虽然只有6H，但涂层磨耗只有8.6mg。继续提高涂料中增韧乳液比例至1.0，涂层铅笔硬度进一步降低至4H，涂层磨耗也上升至10.2mg。表2所示的变化趋势说明影响涂层耐磨性的因素不仅仅是涂层硬度，适度赋予涂层一定的柔韧性反而比单纯增加涂层硬度更有利于涂层耐磨性的提高。奔驰在轨道上的列车，经常需要经受温差迅速变化的考验。因此，在轨交领域，涂层的耐高低温循环交变性能是判断其是否有应用价值的基础。图3为增韧乳液（3如图3所示，随着陶瓷涂层中增韧乳液的增加，复合涂层的抗热冲击能力不断增强。当n=0.2时，经受高低温冲击后的复合涂层出现密集的裂纹；当n=0.6时，裂纹数量减少，但裂纹依然明显；当n=0.8时，涂层没有明显变化，即使用放大镜放大60倍观察，也看不到裂纹。综合表1和图3所示的试验结果，玻璃钢表面用柔性陶瓷清漆采用m(A）∶m(B）∶m(C)=1∶1∶0.8是比较合适的。2.3复合涂层的技术指标“三分涂料，七分涂装”。本文以某项目的SMC玻璃钢座椅为对象，研究了复合涂层的涂装工艺对异形件产品外观的影响。轨道交通车辆的玻璃钢座椅以往采用先喷涂胶衣，后手糊玻璃钢的工艺制作，施工环境差、效率低下、成本较高且质量不稳定，因此，更多的车辆座椅开始采用SMC工艺生产。但是，SMC工艺并不能成型时自带胶衣，因此需要后续喷涂涂料进行装饰和防护。座椅采用悬挂式喷涂，免打磨PU面漆和柔性陶瓷罩光清漆的涂装方法是影响产品外观的关键步骤。免打磨PU面漆以改性PUA为主要成膜物，干燥速度非常快，因而造成喷涂产生漆雾无法被后面喷涂的涂层溶解掉。因此，在免打磨面漆喷涂时必须采用图4(A）所示的先下后上，先重要面后边缘面的原则，尽量避免漆雾落在重要面上，这与以往的溶剂型涂料的喷涂方式恰恰相反。免漆层与罩光层的喷涂间隔时间不宜太短，否则容易咬底；也不宜太长，否则环境中的灰尘会污染漆面造成涂层表面颗粒偏多，也会造成层间附着力的下降。目前看来，40℃下喷涂间隔控制在25min左右是比较合适的。通过这种涂装工艺制备的产品光华、平整，橘纹较少，满足客户对外观的需求。表3为玻璃钢座椅表面复合涂层的综合性能。从表3可以看出，复合涂层在玻璃钢基材上的附着力>8MPa,60°光泽达到了80以上，磨耗仅有8.8mg，耐油污试验后涂层无明显变化，达到了高光泽、高耐磨，防污自洁的设计目的。耐水、耐酸、耐碱、耐溶剂性试验后涂层均完好无损，表现出优异的耐介质性能。按照EN45545-2:2013标准测试，本研究中的陶瓷复合涂层的燃烧性能达到了HL2级别。主要是因为柔性陶瓷涂层以甲基硅树脂为主要成膜物，它可以通过物理屏蔽的方式减少陶瓷涂层下面有机涂层与氧气接触的机会，进而降低涂层遭遇高温时的热释放速率和毒气的释放速度。此外，该涂层经受1000h湿热试验、10个循环的高低温循环交变测试后涂层基本没有明显变化，人工加速老化1000h，失光率低于10%，色差变化不超过1，具有很高应用可靠性。需要说明的是，陶瓷罩光涂层膜厚应当控制在25～35mm之间。涂层过薄容易导致面漆缺陷不能很好的掩盖，涂层过厚不仅导致涂装成本的提高，还会增加涂层的脆性，降低复合涂层的高低温循环交变性能。3物理屏蔽试验(1）开发了玻璃钢表面用陶瓷复合涂层，研究表明其附着力强、光泽高、防污、耐磨擦性能优异、应用可靠性高，柔性陶瓷涂层