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    水性涂料在軌道交通領域中的應用現狀及發展趨
    文章作者admin: 時間:2022-05-07 08:54

    高敬民1, 岳   斌2

    (1.株洲時代新材料科技股份有限公司技術中心,湖南 株洲 412007;2.蘭州城市學院化學與環境科學學院,蘭州 730070)來源:現代涂料與涂裝

     

    摘要:對軌道交通領域所采用的涂料體系搭配、技術性能要求和市場情況進行了分析,對涉及國內外軌道交通領域中水性涂料的應用現狀、環保政策法規的解讀以及相關涂料與涂裝的標準等進行了介紹,對軌道交通領域中水性涂料推廣存在的問題進行了闡述,并對水性涂料在軌道交通領域中的應用發展進行了展望。

    關鍵詞:軌道交通;水性涂料;應用

     

     

    近年來,隨著經濟的快速發展和人民生活水平的不斷提高,軌道交通發展飛速且已成為未來幾年我國基礎設施建設投資的重點領域。根據鐵道部《中長期鐵路網規劃》,將在未來幾年投入數萬億資金用于鐵路及裝備建設,包括2萬多km新的鐵路網和7 000多km高速鐵路網。城際鐵路、地鐵、輕軌也都在蓬勃發展[1]。“十二五”期間,城市軌道交通建設規模為2 500 km左右,總投資為1.2萬億元。2020年末累計投運里程將達到7 000 km,2020年國內城際車線路總里程將達到15 000 km以上,城鐵和城際車輛總需求32 000多輛。在客貨分離、鐵路提速的大背景下,我國其他軌道交通運輸業也獲得了難得的發展機遇,同時也對軌道交通工具的車速、安全性能及美觀程度等提出更高的要求。截至2012年底,我國高速動車組車輛總產量已達

    8 378輛(包括設計時速為250 km/h和350 km/h的車輛)。

    眾所周知,中國高鐵技術的飛速發展主要是得益于引進國外先進技術并消化、吸收和再創新。引進的動車組制造技術包含了高速列車用涂料及涂裝技術。涂料的作用從宏觀上看不外乎2種功能——功能性和裝飾性。功能性側重對基材的防護和功能性,這對全車各部位幾乎同等重要,當然,由于工況不同具體性能要求也存在差別。裝飾性則強調外觀,主要涉及旅客人眼可及的表面,通常根據使用部位不同,裝飾涂料可分為車體外裝飾涂料和內裝飾涂料。功能性涂料則主要有轉向架用保護涂料、空心軸用抗石擊涂料、連接車廂間減小空氣阻力用橡膠風擋涂料、降低噪聲用的阻尼涂料、車頂防滑涂料以及用于電氣絕緣的絕緣涂料等。下面就具體情況展開論述。

    1   車體裝飾涂料

    1.1   車體裝飾涂料的體系搭配

    目前,除裸用的不銹鋼車體外,多數軌道客車通常在外表面采用涂料涂裝的方法進行防護和裝飾。車體外表面用涂料涂裝體系為“底漆+膩子+中涂+面漆(或底色漆+罩光清漆)”。為了保證良好的附著力,通常采用環氧防銹底漆,配套用不飽和聚酯膩子找平,然后涂刷聚氨酯中涂,最后采用丙烯酸聚氨酯或聚氨酯罩面。為了保證輕量化高強度的要求,使用鋁合金擠壓型材,局部連接需要焊接來保證強度的要求,因此平整度較差,需采用膩子找平,因此整體涂層體系的厚度通常為0.2 ~ 0.5 mm,最厚甚至>1 mm。

    1.2    車體裝飾涂料的性能要求[2]

    我國地域遼闊,鐵路線長,最多時高速鐵路車輛的運行里程達4 000 km/d以上,涉及的環境條件復雜多變,運行條件相當嚴酷,因此就造成了涂層的早期劣化。目前,經濟的快速發展所帶來的嚴重環境污染不僅僅困擾著每一個國人的日常生活,還嚴重影響了工業生產和交通運輸。最典型的案例就是因為高鐵車輛受嚴重霧霾天氣的影響,取電弓下方絕緣子由于污染物附著造成被高壓電擊穿,致使路網短路引起大面積的高鐵車次延誤,而這種情況在原型車中是不可想象的,因為在國外環境污染的情況和國內相比要低很多。我國高鐵在運行過程中,如果只是在國外原有技術的基礎上簡單地復制或者“山寨”,那么這些復雜條件下的行車問題是根本不可能解決的。此外,影響車輛表面涂層壽命的因素還有很多,除氣候、環境因素及運行速度和里程外,清洗(維護)過程中清洗劑及洗滌方式和人員的素質等均有一定作用。

    車體外表面涂層除了裝飾性能要求高之外,對耐風蝕、耐沖擊、耐化學品、耐紫外線等的要求也是最高的。例如,當動車組在隧道內高速交會通過時,由于氣壓的關系,車體側板的變形量高達200 mm,這就對涂裝體系的整體性能提出了更高的柔韌性要求;T字頭的原鐵路25型客車的最高時速通常為160 km/h,D字頭動車組的最高時速通常為200 km/h,高鐵實際時速高達300 ~ 330 km/h。車速越高,車體運行時對周邊空氣擠壓越嚴重,使得車體表面所承受的風壓也較動車組列車和普通列車高,尤其在隧道內會車時這種情況更加嚴重。在這種工況下,當受到碎石、砂粒等雜物的沖擊、磨損,車體外面漆會破損,甚至到達底材。如西北干旱地區的多砂石線路,運行車輛因石擊損壞嚴重,轉向架表面涂層在短期內就會失效,而同樣涂層的車體在國外的高速鐵路車輛運行過程中則保持良好,這與中國鐵路高速度及嚴酷的運行條件有關??焖侔l展的中國高鐵目前尚無法全面掌握所有技術問題,例如,對涂層的抗石擊性能進行預測并提出相應的預防措施的研究、分析目前仍是空白,滿足我國鐵道車輛的抗石擊試驗標準尚未建立,國外標準與我國嚴峻的環境條件不匹配,造成了難以客觀公平的評判。根據現場車輛的表面狀況分析和對比,對于車體外表面涂層,各種影響因素中運行速度所占比例應該是最大的。青藏線上運行的列車車體外表面則采用了耐溫差性能較好的丙烯酸聚氨酯雙組分涂料。蘭新高鐵的車體表面采用了彈性聚氨酯涂層技術,解決了高風沙地區行車過程中風沙磨蝕嚴重的技術難題。

    1.3   車體裝飾涂料的市場情況分析

    高速鐵路動車組造價很高,通常一列車(8輛編組)的購置費用達2億元左右。按每輛車長25 m、寬

    3 m、高3 m估算,僅車體外表面積就約250 m2,加上內表面、車底、轉向架等總面積大約600 m2,每輛車涂料的費用超過10萬元,當然,這僅僅是車輛內外裝飾涂料的市場情況。近年來新造車輛數量逐年增加,加上城市軌道車輛的快速發展,鐵路車輛涂料市場不容小覷。如果再考慮到隨著車輛保有數量的增長和使用年限的增加,車輛修理和維護需要的涂料用量、動車組涂料的需求會始終保持一個較高的水平。鐵路貨車目前保有量為 80萬輛,每年鐵路貨車新造、廠修超過10萬輛,按每年新增3萬輛計算,消耗涂料3萬多 t,目前大部分使用的是溶劑型涂料,溶劑含量可達60%以上[3]。

    2010—2011年,鐵路產量及其增長率較大,2012年以后,由于受國家宏觀調控政策影響產量有所降低,其中2012年鐵路機車出現的負增長是由于國家的高鐵外交政策導致。“一帶一路”戰略的提出和實施,不僅需要實現基礎設施的互聯互通,還促進了過剩產能的對外輸出。據民生證券統計,目前各地方“一帶一路”擬建、在建基礎設施規模已經達到1.04萬億元,跨國投資規模約524億美元。軌道交通領域的投資總額占68.8%,其中鐵路投資近5 000億元。與此同時,未來全球高鐵投資或將超過20 000 km,對應資金3萬億元,設備投資總需求約4 500億元,這意味著鐵路設備出口需求將獲得大幅增長。軌道交通車輛市場的急劇攀升,為車用涂料帶來了巨大商機[4]。

    2   軌道交通領域水性涂料使用情況

    2.1   環保法規及政策導向[5]

    近年來,國家、地方及相關行業組織相繼出臺了一系列的政策法規,2015年1月26日國家財政局聯合國家稅務總局發布了征收“涂料消費稅”的通知,2015年6月底VOC排污收費試點方案也已發布,這給涂料與涂裝企業帶來了巨大的壓力與疑惑。目前我國鐵路車輛涂裝用涂料大部分是溶劑型涂料,鐵路貨車廣泛應用的溶劑型厚漿醇酸涂料以及一些鐵路機車和客車面漆均有一定量的VOC排放。2015年工信部發布的《水性聚氨酯涂料》、《水性環氧樹脂防腐涂料》、《水性丙烯酸樹脂涂料》3項水性工業涂料行業產品標準已正式實施;2016年,《水性醇酸樹脂涂料》、《水性無機磷酸鹽溶劑防腐涂料》等水性涂料行業標準也開始實施,水性工業涂料的標準化規范已經逐步完善,鐵路涂料涂裝水性化迫在眉睫!

    2.2   國外軌道交通領域水性涂料應用情況簡介

    2003年韓國大邱地鐵人為縱火引燃地鐵車廂,導致633人傷亡及失蹤。事故調查結果表明,當時運營的地鐵車輛內裝材料及隔音材料有一半以上屬非阻燃材料,這些材料遇明火會引起火焰的轉移及產生有毒氣體,損害人體健康,嚴重的甚至導致人員傷亡。水性無機防火涂料毒性和燃燒煙密度均滿足BS 6853 標準,防火性能卓越,并且附著力良好,耐化學性優異,因此在歐美等發達國家的軌道交通工具上已得到廣泛應用。例如,2003年3月阿爾斯通承接的意大利城際列車項目,2006年5月西門子公司承接的法國雷恩輕軌車輛項目,2007年3月龐巴迪公司承接的法國巴黎地鐵車輛項目等均使用了水性涂料,新加坡地鐵車輛已明確規定必須采用水性涂料。

    2.3   國內軌道交通領域水性涂料應用情況簡介[6]

    目前,用于城軌車輛的水性涂料主要以進口為主,儲運條件要求較高,且目前國內用量較少,因此其價格相對溶劑型涂料高約15 000元/輛;施工工藝要求較高,國內城軌車輛生產廠家大多沒有應用業績,也沒有充分掌握其施工工藝,再加上國內業主對水性涂料認識不足等原因,目前水性涂料在國內城軌車輛上還未得到廣泛使用,像車體、司機室玻璃鋼頭罩等大面積表面處理尚沒有應用業績,只在廣州地鐵直線電機車輛轉向架構架等少數部件上使用過。鑒于近兩年新加坡地鐵采購的青島四方機車車輛股份有限公司在中國生產的C151A、151B地鐵、T251地鐵和青島地鐵3號線項目均采用了水性涂料,在軌道車輛上水性涂料已經在車體的外皮、內裝、車下各種內飾件上開始應用。軌道車輛、工程機械和其他汽車最大的區別是速度等級和運營環境,汽車最快120 km/h,但是軌道車輛動車、高鐵達300 km/h以上,運營環境比較復雜,如涉及到高寒區域(西藏鐵路)、高濕熱及高風沙區域(蘭新鐵路),高固體分涂料及粉末涂料是否可以適用于復雜的環境以及較高的速度等級,需要進一步地探討。目前,在電力機車與城軌車輛上成功應用的水性涂料品種有:用于降噪目的的乳液型阻尼涂料、用于底漆的水性環氧樹脂涂料、用于面漆的水性醇酸樹脂涂料和水性聚氨酯涂料等。

    2.3.1   乳膠型涂料

    由于車速的提高,車體振動、噪聲均會顯著增加。水性阻尼涂料是一種具有減振、隔音降噪功能的涂料,被廣泛應用于飛機、列車、船舶、車輛以及各種工程機械上。阻尼涂料可直接噴涂于結構表面,并且具有一定的防腐性能,因此,施工非常方便,尤其對于結構復雜的表面,避免了使用橡膠阻尼材料施工困難的局面,更加體現了其優越性[7]。據了解,有些車型單車阻尼涂料用量就超過1 t。乳膠型涂料應用于電力機車與城軌車輛中,主要品種有水性復合乳液阻尼涂料,水性阻尼涂料作為一種具有優良抗振、減噪、隔熱、阻燃等性能的功能型乳液型涂料,主要用于機車車內及底架上,其代替溶劑型改性瀝青阻尼涂料,已經在多種車型上使用。

    2.3.2   水溶性醇酸樹脂涂料

    水溶性醇酸樹脂涂料采用“底+面”配套體系,在實際應用中各方面綜合性能都能達到溶劑型涂料,但因其耐候性及耐水性不如水性環氧樹脂涂料和水性聚氨酯涂料,故有被后者逐漸取代的趨勢。

    2.3.3   水性環氧樹脂涂料

    軌道交通車輛用水乳化型環氧樹脂涂料品種,其結構與溶劑型環氧基本一致。水乳化型涂料品種的固化劑一般用改性胺類。水乳化型環氧樹脂涂料固化機理與一般聚合物乳液成膜機理有很大區別,同時也與溶劑型涂料有很大不同。通過對環氧樹脂乳液的固化進行研究,發現由于環氧樹脂中含有芳香醚鍵,涂膜經日光照射后易降解斷裂,戶外耐候性較差,因此水性環氧樹脂涂料主要用作防腐底漆。

    2.3.4   水性聚氨酯涂料

    水性聚氨酯涂料主要由含羥基的水性多元醇和改性異氰酸酯固化劑制備而成的一種涂料。水性雙組分聚氨酯性能優異,是目前研究最為活躍的領域之一。選用不同的二異氰酸酯或多異氰酸酯與不同的二元醇或多元醇就可以得到不同品種的聚氨酯樹脂。與溶劑型聚氨酯涂料相比,水性聚氨酯涂料具有無刺激性氣味、污染小、不燃、成本低等特點,可用水直接稀釋,使用方便、易于清洗;水性聚氨酯涂料與多種水性樹脂的相容性較好,可以共混使用,以改進性能或降低成本。德國國有鐵路公司用雙組分水性聚氨酯涂料做底漆和面漆,在 K-4000及 K-5000系列車型上都有成功應用的實例。

    2.3.5   水性無機陶瓷涂料[8]

    無機陶瓷涂料是一種采用凝膠法工藝生產的純無機水溶性硅酸鹽涂料,原料采用的是無機溶劑及無機顏料,其制備原理如圖1所示。

    無機陶瓷涂料的主要特點是具有良好的防火性能、耐腐蝕性能和超高的硬度。由于其采用純無機材料,即使受到高溫也不燃,不會產生煙霧,阻燃效果非常顯著。以其涂覆的鋁板經過國家防火建筑材料質量監督檢驗中心的檢測,防火等級達到A1級的最高標準。我國于2006年起已開始使用該類涂料。在上海軌道交通4號線、9號線的部分車站裝飾材料中,先后使用了無機陶瓷涂料鋁板。深圳地鐵2號線列車的內墻板采用了該涂料噴涂的鋁板整體成型技術。除了防火性能優異外,在使用中還發現該涂料噴涂的表面比較細膩,顏色均勻,平滑、美觀,內裝飾效果較好;此外,其表面比較堅硬,易清潔,耐候性非常好,當表面發生破損后維修技術也比較簡單。

    2.3.6   水性浸漬涂料

    高鐵技術中絕緣涂料是核心且保密的涂料技術。高鐵的核心動力源自驅動系統中的關鍵部件——電機。由于電機所用的電壓高,輸出功率大,工作過程中溫升很高,工作條件非??量?,在高、低溫循環交替條件下極易產生絕緣材料的老化和擊穿事故的發生,因此高鐵電機的絕緣結構非常復雜。目前采用芳綸材料、聚酰亞胺材料、云母帶等進行絕緣結構繞包,然后在繞包結構表面涂覆浸漬漆。而現有的云母帶產品見水會發生體積膨脹,而使云母粉與聚酰亞胺薄膜分離,使得絕緣性能失效,所以在浸漬漆領域目前尚無法用水性涂料來替代溶劑型浸漬漆。國外自20世紀60年代起陸續報道了以有機硅樹脂為基體的H級耐熱性無溶劑浸漬漆,產品牌號主要包括美國碳化物公司的

    V-2263和XR-65、道康寧公司的DCR-7501和

    DCR-7521以及前蘇聯的K-67和K-674等。隨著浸漬漆的發展,國外對F、H、C級有機硅浸漬漆的需求量迅速增長,目前,F、H級以上浸漬漆需求量已占浸漬漆總量的50%以上,這些產品主要包括美國康寧公司的994、996、997,通用公司的SR17M,德國瓦克公司的H62A/B、H62C,瑞士Vonroll-Isola公司的3551樹脂和俄羅斯的KO-08樹脂等。

    近年來,隨著人們環境意識的增強和環保法規的完善,水溶性浸漬漆的研究得到了人們的重視,水溶性浸漬漆開發取得了實質性進展,市場上已開始出現水溶性浸漬漆,牌號主要包括AQUANEL-600、700,ISO

    POXY800和DVB2713、2715、2715等,這類水溶性浸漬漆逐漸成為未來的一個發展方向。

    2.3.7   車體涂飾涂料的體系搭配情況

    為進一步介紹車體涂飾涂料的體系搭配情況,結合城軌車輛涂裝工藝說明,表1參照新加坡C151A 鋁合金車輛項目施工工藝要求給出了具體的涂裝工藝要求。

    2.3.8   車體涂飾涂料的檢測標準

    由于技術源頭不同,涂料及涂裝技術、檢驗標準、試驗方法等都不同。鐵道行業產品標準和國標試驗方法差距較大,對涂料及涂膜的性能要求不夠明確,限制了各種涂料間的比較和互換。在涂裝質量檢查和驗收規程方面,目前使用最多的為TB/T 2260和TB/T 2393標準,主要用于車體外側涂料,適用于機車和客車,對保證鐵路客車的涂裝質量起到了重要作用;TB/T 2879系列標準的來源為國際鐵路聯盟的UIC 842標準,而UIC標準的制訂時間主要為1979年,屬工藝性指導文件,技術、工藝相對過時;TB/T 2707為貨車用標準,動車組并不適用;TB/T 2932為阻尼涂料即功能性涂料標準,用于車輛的減振降噪,雖然此標準制定較早,但仍基本滿足現用鐵路客車和動車組阻尼涂料的需求。除上述標準外,鐵路部門還發布有一些標準性技術文件,作為上述鐵道行業標準的補充,見表2所列。

    3   水性涂料在軌道交通領域推廣存在的問題

    作為“中國名片”的高鐵技術的對外輸出,發達國家不斷提出了更高的技術要求,輕量化、環保、節能、安全可靠和更高速度已成為高鐵技術的發展方向。而輕量化技術則要求輕質高強的復合材料被大量地用于車體并替代傳統的金屬材料。因此,今后一段時間內涂料防腐性能方面的要求將逐漸弱化,而環保性和裝飾性方面的要求將成為主要技術要求。水性涂料是未來軌道交通領域車輛表面防腐材料的首選,雖然初期投資比溶劑型涂料高,但在使用壽命周期(30 a)內的綜合費用沒有明顯差異;另外,隨著國內城軌車輛防火等級的進一步提高(如整車采用BS 6853標準)以及人們對環保越來越重視,水性涂料在城軌車輛上的廣泛應用將成為必然。鑒于此,青島地鐵一期工程(3號線)鋁合金地鐵車輛將在國內率先使用水性涂料。因為水性涂料自身的特點,對施工現場的溫度、濕度等因素非常敏感,因此,只有符合水性涂料施工要求的場合才能滿足其應用。隨著人們對水性涂料認識的逐步深入,各用戶單位為了滿足水性涂料的施工要求,基本噴涂車間都配套有烘烤房。

    目前,軌道交通車輛的涂裝水性化雖然已取得了很大的進展,但是,若想以水性涂料完全代替溶劑型涂料,還有一段比較長的路要走。從產品性能來看,一些水性涂料品種在耐水性、硬度、高光澤等方面還達不到溶劑型涂料的性能。在高性能水性樹脂合成、成膜機理、固化方式、固化工藝等方面的創新,生產制造工藝的改進,制造成本的降低以及施工工藝的成熟與規范等方面還需要更多積累。

    從涂裝的角度來看,“三分涂料,七分施工”,涂料成本在產品涂裝成本中只占有30%的權重,涂裝一次合格率、生產設備的維護與保養、輔助材料的采購、安全環保固定資產投入與折舊、活性炭等環保易耗品的消耗、員工職業健康安全保障等隱性成本占據涂裝成本更大的權重。水性涂料要徹底替代溶劑型涂料,不是單純對涂料的簡單替代,更多層面上是系統地切換。

    首先,傳統溶劑型涂料的施工設備都是以溶劑作為輸送介質,而水性涂料中所含的水在空氣中的氧氣等作用下就會對這些工具產生腐蝕;傳統的溶劑型涂料在溶劑揮發后產生的固化現象可以通過再添加溶劑來達到稀釋的目的,而水性涂料一旦固化后,即使添加再多的水也無法稀釋;溶劑型涂料涂裝通風設備中排風道大部分都是護芯板,若替換成水性涂料后,可能在幾個月內就會因水的腐蝕而損壞,除非改造成不銹鋼、非金屬或是耐腐蝕性非常高的材料。因此,水性涂料在應用過程中還需要逐漸解決施工人員與涂裝設備、施工人員與水性涂料、水性涂料與合適的涂裝設備之間的相互適應,具有實際規模成批量的全水性化涂裝目前實現的難度非常大。所以需要探討如何升級換代來解決以上問題,同時,也需要考慮技術、資金、時間等方面的因素。在同等質量標準基礎上,涂裝時用水稀釋可減少40% ~ 50%的稀釋劑采購成本,延長活性炭等環保易耗品的更換周期,減少環保固定資產投入,免征排污費,降低員工職業健康安全的長期隱性成本,提高企業的生產效率和社會效益。水性涂料環保、安全,對人體和環境幾乎無危害,全壽命周期成本較低,其使用可減少環保設備投入。地鐵車輛維修基地所使用的防腐處理場地和設施可以簡化,無需設置VOC處理凈化裝置。水性防腐涂料具有穩定的化學性能,良好的耐腐蝕、抗老化性能,彎曲強度高、附著力強、機械性能優異,所以使用年限可高達15 a。通常,地鐵車輛壽命以30 a計,則在整個使用過程中僅需再噴涂一次,而溶劑型涂料至少需要噴涂2次。

    4    結語

    隨著車輛和交通行業的發展,水性涂料在國內使用范圍的逐步擴大以及國產化的進行,進一步擴大了對涂料與涂裝行業的需求。2015年初VOC排放政策以及涂料消費稅的出臺,都表明了國家大力加強環保的決心。這些影響因素將倒逼涂料生產商增加資金和投入更多的人力、精力和物力來研制開發環保產品,水性涂料產品的技術不斷取得突破,性能越來越接近于溶劑型涂料,而價格也隨之下降。對涂裝企業來說,要考慮更環保的涂料應用以及相關的設備更新、生產工藝和節能減排等問題;產線改造、產品升級勢在必行,水性涂料等環保技術的應用步伐必將加快。

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