高速列车橡胶外风挡表面涂层的制备及性能

李嘉炜，孙翌，姜晓妍，鉴冉冉，黄靖,*，曾宪奎，王东，姜云法

（1.青岛科技大学机电工程学院，山东 青岛 266061；2.青岛澳泰交通设备有限公司，山东 青岛 266109；3.青岛绿金源安全技术有限公司，山东 青岛 266041）

在高速列车橡胶外风挡上制备表面涂层，能在列车运行过程中保护橡胶基体，是增强外风挡耐磨损、耐腐蚀、耐老化性能的必要手段。外风挡涂层应具有优良的附着力、一定的柔韧性和致密的结构，同时要兼顾美观性。国内对在橡胶等弹性体上制备涂层方面的研究较少。陈经盛[1]、李永清[2]等人研制过硫化橡胶防老化涂层，但大都应用在静态的橡胶制品上，制备工艺比较简陋。有关橡胶涂层性能研究的论文中也鲜有涉及对涂层附着强度、延展性等性能的综合性研究。而现有橡胶外风挡涂层在使用过程中仍存在易开裂、易脱落和欠美观等问题，涂层性能有待提升。

本文针对上述问题，以橡胶外风挡材料三元乙丙橡胶为基材，对其表面涂层的附着强度、光泽、延展性和拉伸疲劳寿命进行了测试，并通过正交试验对打磨目数、固化剂比例、固化工艺参数对漆膜性能的作用机制进行研究，通过研究得出各项因素对涂层性能的影响规律，并制定出符合要求的最优工艺方案，提升橡胶外风挡涂层的抗开裂、抗脱落性能和美观度。

1 实验

1.1 材料和仪器

AT-SF250-M01底面一体漆、AT-SF250-GHJ固化剂、150 mm × 100 mm × 2 mm三元乙丙橡胶，青岛澳泰交通设备有限公司。

角磨机、喷枪、101-0A型电热鼓风干燥箱，天津市泰斯特仪器有限公司；WG68型光泽度测试仪，深圳威福光电科技有限公司；AI-7000-MGD拉伸试验机，高铁科技股份有限公司；G7-7011-LHD高低温拉伸疲劳试验机，北京创诚致佳科技有限公司。

1.2 高速列车外风挡涂层的制备

工艺流程为：基体预处理→涂料喷涂→高温固化。

用乙醇超声(40 kHz)清洗三元乙丙橡胶10 min，去除其表面油污，100 ～ 150 °C下烘干1 ～ 2 h，保证基材与涂料最大的附着强度。使用角磨机(额定转速8 500 r/min)对试样表面进行打磨。先使用较粗的砂纸沿着长度方向打磨4次，每次打磨区域约为1/3宽度，打磨轨迹沿着宽度方向均匀分布，再用同样的方法沿宽度方向进行打磨，两个方向均重复打磨2次，打磨后橡胶表面应呈现较为均匀的亚光状态。然后用较细的砂纸按上述方法再次打磨，然后吹扫干净。使用气动喷枪对表面喷涂底面一体漆，喷涂气压0.6 kg/cm2，喷涂距离20 cm，喷枪移动速率约12 cm/s。喷涂完成后放入干燥箱中进行固化，所得漆膜厚度为0.03 ～ 0.04 mm。

1.3 性能测试

分别根据GB/T 9286-1998《色漆和清漆 划格试验》和GB/T 9754-2007《色漆和清漆 不含金属颜料的色漆漆膜的20°、60°和85°镜面光泽的测定》测试涂层的附着力与表面光泽。根据GB/T 528-2009《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》测试涂层的延展性，以涂层出现明显开裂时的拉伸量作为评价指标。根据GB/T 1688-2008《硫化橡胶 伸张疲劳的测定》测试拉伸疲劳，应变设置为50%，频率为1 Hz，涂层产生明显开裂时停止实验并记录周期数。

2 结果与讨论

L9(34)正交设计方案及实验结果如表1所示。

表1 正交试验结果Table 1 Result of orthogonal test

2.1 工艺参数对涂层附着力的影响

从表1可知打磨的目数越大，附着力等级越低，涂膜更易剥离。低打磨目数赋予制品较粗糙的表面，相比于光滑表面，不仅增强了漆膜与基材之间的机械咬合，还增大了物理吸附、化学吸附的作用面积，令漆面与基材的结合更牢固[3]。相比固化剂配比与喷涂工艺参数，打磨目数对涂层附着力的影响更明显。当涂层的附着力不变时，涂膜的内聚力越大，附着强度越低[4]。

固化剂含量越高，附着力等级越低。随着固化剂用量增加，漆膜的交联度上升，体积收缩量增大，硬度和内聚力增大[5]。另一方面，划格试验是一种经验性实验方法，其结果不仅仅取决于底材和涂层的附着力[6]，比如涂层硬度很高时，其硬脆性更容易导致切割的过程中产生脱落。

但总的来说，多种工艺组合下涂层的附着力都达到了0级，可见本试验的工艺参数对涂层附着力的影响不大。

2.2 工艺参数对涂层光泽的影响

从表2可知，影响涂层光泽的因素排序为B ＞ C ＞ D ＞ A，优化方案为A3B1C2D3。此条件下所制涂层的光泽为23.1 Gs。涂层光泽与打磨目数呈正相关，局部漆膜较薄或者流平不充分时，漆面随基材表面的凹凸而相应凹凸，粗糙的基材会呈现粗糙的漆面，而表面粗糙度较低的基材更利于涂膜流平，提高漆面光泽。涂层光泽与固化剂含量呈正相关，即当固化剂比例较多时，涂层光泽较高。涂层的固化过程实际上是一种交联反应，固化剂含量充足时漆膜固化更充分，漆膜更致密，光泽高。随着固化温度升高，表面光泽呈现先上升后下降的趋势，高温时涂料黏度降低，有利于涂料迅速流平[7]，并在较高的温度下快速交联成膜，但是过高的温度会造成涂层老化甚至分解，表面光泽下降。与之类似，较长的固化时间使涂层固化更充分，提升表面光泽，但是过长的固化时间会使涂层提前老化，失去光泽。本实验中由于控制固化时间比较合理，因此并未出现光泽的下降。

表2 涂层光泽的极差分析结果Table 2 Result of range analysis on gloss of coating

2.3 工艺参数对涂层延展性的影响

由表3可知，影响涂层延展性的因素排序为A ＞ B ＞ D ＞ C，优化方案为A3B3C2D2。此条件下所制涂层出现裂纹时的拉伸量为198%。出现裂纹时的拉伸量与打磨目数成正比，基材打磨得均匀彻底则漆膜柔韧性好。在精细的表面上进行涂装时，漆膜厚度均匀、缺陷较少；反之，打磨的目数较低时基材表面凹凸较大，漆膜厚度不均，受到拉伸时在缺陷处易产生应力集中，最终导致断裂[8]。出现裂纹时的拉伸量与固化剂配比呈正比，即固化剂比例越高，漆膜可承受的拉伸量越小。固化剂的用量决定了固化后漆膜的交联密度，交联密度大则漆膜硬度高[9]，弹性减弱，且涂层内聚力大，对基材的湿润下降，漆膜随基材变形的能力降低[10]，容易产生裂纹和脱落。

表3 出现裂纹时拉伸量的极差分析结果Table 3 Result of range analysis on tensile amount when a crack occurs

固化温度与固化时间对出现裂纹时拉伸量的影响大致相同，拉伸量随着固化温度提高和时间延长而呈现先上升后下降的趋势，均有最佳值。固化温度较低时涂料处于高黏度状态，固化干燥过程中溶剂分子不易通过涂料的缝隙挥发到空气中，容易产生气泡、针孔等缺陷[11]；除此以外，高黏度使涂料流动性差，在完全固化以前流平不充分，致使成形的漆膜厚度不均，底材产生拉伸后在漆膜的缺陷和薄弱处产生微裂纹，最终导致漆膜开裂失效。温度过高时，虽然涂料流动性佳，但是由于高温下大量溶剂分子快速挥发并使表层漆膜快速干燥，漆膜的间隙不足以使大量溶剂分子一起通过，溶剂分子突破漆膜而形成气孔，影响整体漆膜的延展性。实际上，漆膜柔韧性受到抗拉强度、附着力、内应力等多种因素的影响。固化时间较短时，漆膜交联密度不高，虽然柔性较好但是附着力不足，且由于分子链之间的交联不足，因此分子之间容易产生滑移，强度不足；固化时间过长时，固化反应虽更彻底，但漆膜变硬变脆，韧性不足。

2.4 工艺参数对涂层疲劳寿命的影响

目前国内外普遍认同的橡胶疲劳破环的理论包括机械破坏机理和力-化学作用机理[12-13]。机械破坏机理认为破坏最初发生于橡胶内部缺陷处，而力-化学作用机理认为是较薄弱的化学键先发生断裂。高分子涂层与橡胶内部分子结构同为网状交联体，断裂机理相同，但涂层是附着在橡胶基材上的，影响其疲劳破环的因素不仅仅是内部缺陷和化学键强度。

从表4可知，影响涂层疲劳寿命的因素排序为B ＞ A ＞ C ＞ D，优化方案为A3B3C2D2。此条件下所制涂层的疲劳寿命为6 533次。疲劳寿命与打磨目数呈正相关，打磨目数越高，漆膜有更高的疲劳寿命，与涂层延展性类似，附着在较为精细、平整表面的漆膜厚度均匀、缺陷较少，不易产生裂纹。疲劳寿命与固化剂配比呈正相关。固化剂比例较少时，漆膜内部交联度不高，分子链活动性较高，裂纹引发缓慢；固化剂用量增多，则漆膜的交联密度升高，交联体呈现更多硬脆性，在周期性应力下无法充分变形，并在缺陷处引发交联键断裂。

表4 疲劳寿命的极差分析结果Table 4 Result of range analysis on fatigue life

随着固化温度的升高，疲劳寿命呈现先上升后下降的趋势。固化温度为90 °C时，涂料黏度较大、流动性差，干燥时容易产生气孔或气泡，形成的漆膜不均匀。当固化温度为110 °C时，漆膜固化后的硬度较高、弹性不足，过高的温度甚至可能导致漆膜老化，令疲劳寿命降低。疲劳寿命随固化时间延长呈现先上升后下降的趋势，与固化温度大致相同，固化时间较短时漆面不能充分浸润基材而完全固化，虽然柔软但是弹性不足、附着力不强，固化时间较长时漆膜硬度高且脆，容易发生断裂。所以应该选择适当的固化温度和时间使漆液充分流平，并令漆膜具有适当的硬度和弹性。

2.5 综合评价

综合考虑后确定了符合实际使用需求的最佳制备工艺参数为：打磨选择150目 + 240目砂纸，主剂与固化剂之比6∶1，固化温度100 °C，固化时间60 min。采用此工艺参数制备出的高速列车外风挡涂层，光泽接近22 Gs，附着力为0级，拉伸疲劳寿命可达4 832次，出现裂纹时的最大拉伸量可达181%。在保证漆面美观的同时，能有效防止漆面开裂、脱落现象的发生。

3 结论

基材表面粗糙程度对涂层附着强度影响最大，涂层光泽则主要受固化剂配比影响。影响涂层延展性和疲劳寿命的因素比较综合，打磨目数和固化剂配比占主要地位。相对于光滑表面，粗糙表面的涂层附着强度优秀，但是不利于涂层随基体拉伸变形。通过调整固化剂比例能够改变漆膜的硬度和弹性，通常漆膜硬度越高则光泽高而柔韧性有所下降，制备涂层时应该根据实际需求综合考虑，以制定合理的工艺方案。对于本文中测试的绝大部分性能，固化温度和固化时间均有最佳值，过高和过低均不可取。