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玻璃纤维腻子在轨道交通车辆上的应用研究,详细分析了影响普通不饱和聚酯腻子收缩开裂的主要因素,中国化工网,okmart.com
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玻璃纤维腻子在轨道交通车辆上的应用研究,详细分析了影响普通不饱和聚酯腻子收缩开裂的主要因素
2020年09月22日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

0 引言

轨道交通车辆因车体大部件采用拼焊技术,每道焊缝都存在一定量的焊接变形,表面平整度较差。为获得良好的外观,车辆表面需刮涂腻子。


目前,轨道交通车辆腻子刮涂工序常用的材料为不饱和聚酯腻子,因不饱和聚酯腻子刮涂后收缩性较大,容易开裂,给车辆运营和后期维护造成诸多不便中国化工网okmart.com。而玻璃纤维腻子因其内部纤维的增强作用,会明显改善整个腻子层的收缩性和抗开裂性。

 

1 轨道交通车辆腻子收缩开裂现象

铝合金车辆经过清洗防护、喷砂处理、环氧底漆喷涂等工序后即可进行腻子刮涂。一般情况下预先进行焊缝找补,然后再对整车进行腻子满刮,其具体工艺流程为:作业准备→ 打磨→ 防护→ 焊缝找补→ 干燥→ 第1 遍满刮→ 干燥→ 第2 遍满刮→ 干燥→ 第3 遍满刮→干燥→ 第4 遍满刮→ 干燥→ 第5 遍满刮→ 干燥→ 第6遍满刮→ 干燥→ 整车打磨→ 质量确认。


为获得良好的外观,车辆表面通常需刮涂6 遍腻子。与地铁车辆相比,动车组车辆表面腻子的厚度通常是其2 倍左右,大部分区域腻子平均厚度达到1 000μ m 以上。而焊缝及凹陷较深的区域,腻子层更厚,甚至超过3 mm。因腻子层较厚,同时腻子材料自身强度一般,经常会导致车辆表面涂层开裂。

 

2 不饱和聚酯腻子收缩开裂的理论分析

收缩和开裂是腻子刮涂后常出现的问题,特别是焊缝较深处的区域。收缩常表现为凹陷,如车体侧墙与端墙搭接的焊缝区域,而开裂是腻子体积进一步收缩的表现。


体积收缩是多数涂料固化时都会产生的,不饱和聚酯腻子的固化是依靠和作为溶剂的烯类单体(如苯乙烯)进行自由基共聚反应而实现的。当不饱和聚酯腻子和苯乙烯的双键发生加聚反应时,2 个双链由范德华力结合变成共价键结合,原子距离大大缩短,所以体积收缩率也较大,研究表明不饱和聚酯固化过程中体积收缩达10% 左右[6]。


因车体侧墙与端墙搭接处焊缝较深,腻子刮涂较厚,体积收缩很明显,对车辆外观造成较大的影响。另外体积收缩会使不饱和聚酯腻子形变区域产生较大的应力,这个应力与其体积收缩的方向相反。


如图1 所示,焊缝处腻子经多次刮涂后,表面平整,但随着时间的延长和不饱和聚酯腻子固化反应的进一步完成,分子间键长变短,再加上腻子内部其他溶剂等小分子的挥发,整体体积收缩,焊缝表面出现凹陷。因为体积收缩,焊缝处不饱和聚酯腻子产生了收缩应力,其内部分子将偏离原来的平衡位置。随着不饱和聚酯腻子的体积收缩进一步加剧,由此产生的材料内部应力更大,当内部应力超过腻子自身的强度时,聚合物内部分子键断裂,导致焊缝表面的腻子出现开裂。

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腻子收缩开裂过程


而焊缝处腻子刮涂越厚越容易出现开裂的根本原因是:相同收缩比例下,越厚的腻子层产生的内部应力越大,如图2 所示。假设腻子刮涂的形状为圆柱体,且1 #、2 # 两圆柱体的底面积相同,而腻子刮涂厚度方面1 #为H ,2 # 为H / 2 ,则体积方面2 # 为1 # 的1 / 2 。


阴影部分代表不饱和聚酯腻子反应后收缩的体积,B 点为收缩前的位置,且都处在两圆柱体的中心,B 1 和B 2 分别为1 #、2 # 收缩后的位置。根据不饱和聚酯腻子收缩的体积一般为1 0 % 左右,则1 # 阴影部分的体积为V A B 1 C = 1 0 %V 1 #,2 # 阴影部分的体积为V A B 2 C = 1 0 % V 2 #。又V 1 # = 2 V 2 #,则V A B 1 C = 2 V A B 2 C。


如图2 中3 # 所示,在底面积(以A B 为半径的圆)相同的情况下,点B 到点1 或点2 距离(用L 来表示距离)决定了阴影部分的体积,即体积越大,L 则越长。

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刮涂厚度对开裂的影响

由前面可知,V A B 1 C > V A B 2 C ,则B B 1 > B B 2 ,由勾股定理可知,A 到B 1 的距离大于A 到B 2 的距离(为简化计算,点A 到点B 1 或点B 2 的弧长距离近似为它们的直线距离),即A B 1 - A B > A B 2 - A B ,换而言之,圆柱体1 # 的收缩形变大于2 # 的收缩形变。又因为材料的应力正比于其形变的大小,因此圆柱体1 # 的收缩应力大于2 # 的收缩应力。


从以上对比可知,在外界条件相同的情况下,刮涂越厚,不饱和聚酯腻子的收缩应力越大,也就是说刮涂越厚,腻子越容易开裂。


温度对腻子开裂的影响主要是因为不同材料的热膨胀系数不同导致的。铝的热膨胀系数大,而腻子的热膨胀系数小,在相同的温度变化下,铝型材由此引起的体积变化远大于腻子,两者的接触面就会产生位移偏差。


如图3 a 所示,常温下两者都没有发生膨胀或收缩,接触面上没有位移偏差。当环境温度升高时,如图3 b 所示,腻子和基材都发生了膨胀,阴影部分代表两者的膨胀体积。


因为两者的热膨胀系数不同,相同温度变化下,基材(铝合金)的热膨胀系数大,体积变化就大。反之,当环境温度降低时,如图3 c 所示,两者都会收缩,但基材的收缩体积大。


即无论是膨胀还是收缩,两者体积变化是不对等的,常温下E 、F 两点的距离为直线,但高温或低温时,E 、F 两点的距离为曲线,长度明显比常温时长。换言之,温度变化后,与基材接触面附近的腻子产生了形变,总是被基材拉扯着,一直到两者恢复到常温状态。而当温度变化很大时,由此产生的形变更大,接触面周围的腻子产生的内部应力也将变大,并不断阻碍形变的发生。由此造成的结果有2 种,第1 种为接触面腻子开裂,第2 种为腻子从基材脱落。

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温度变化下腻子和基材变化情况

当腻子与基材间附着力大于腻子材料自身强度时,则发生第1 种情况,反之则发生第2 种情况。无论何种情况发生,都会起到腻子内部热应力的释放效果。

另外,温度与腻子厚度对腻子开裂的影响还表现在温度梯度上。


当环境温度较高,且腻子刮涂较厚时,腻子层升温的初始阶段,其表层温度较高,内层温度较低,内外层间存在温度梯度。因为温差的存在,在相同的热膨胀系数下,内外层腻子的膨胀体积是不一样的,最终导致腻子层内部上下层间存在应力。


但是因为腻子厚度毕竟有限,同时温度梯度不是很大,由此造成的应力很难超过材料本身的强度,因此这种情况下腻子较难开裂。


3 纤维腻子抗收缩防开裂的理论分析

纤维腻子其实就是在普通聚酯腻子内部添加了增强纤维,如内部添加玻璃纤维等。聚酯腻子添加纤维既可以增加腻子的强度,也可以增加其与基材或底漆间的附着力。


添加在腻子里的增强纤维可起到填充和骨架支撑的作用,可以有效减少腻子固化后体积的收缩,减少内应力的产生,有效防止了腻子的开裂。


同时,在腻子里的增强纤维可以和大分子链相结合,形成交联结构,当其中一条链受到应力时,可通过交联点将应力分散,即纤维可以改变腻子内部的应力分布,避免应力集中,进一步减小腻子开裂的可能性。


另外,因玻璃纤维的强度较大,使整个腻子层可承受更大的拉伸或收缩应力,在正常使用情况下,腻子更难以开裂。从某种程度上讲,不饱和聚酯腻子中添加增强纤维就如同建筑用混泥土中增加了钢筋,材料的性能将明显增强。


通常情况下,为保证腻子层与底漆层的附着力,腻子层要对底漆层有一定的溶解力,形成互溶层。在互溶层中,腻子与底漆相互扩散,腻子中部分纤维也将分散到互溶层,甚至渗透到底漆中。


如图4 所示,网状结构代表腻子中添加的纤维,增强纤维分布在腻子层、互溶层中,部分嵌入到底漆层中,即增强纤维将底漆层与腻子层更加牢固地给合在一起,有效提高了腻子与底漆间的层间附着力。

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腻子与环氧底漆间的互溶层

综上所述,纤维腻子既可以有效防止腻子的开裂,也可以增强腻子与底漆间的层间附着力,非常适用于车体焊缝及严重凹陷区域的找补。

 

4 试验部分

4 . 1 主要试验物料

2 辆铝合金车体(一辆Tc 车,一辆M 车),2 块铝合金样板(1. 5 m× 1.0 m,化学成分与动车组铝型材一致),3 块铝合金试件(焊接方式为搭接焊),不锈钢小样板若干,玻璃纤维腻子,普通不饱和聚酯腻子。

4 . 2 主要试验仪器与设备

腻子刮涂器,漆膜冲击试验仪,涂层测厚仪,划格仪,通风换热设备,喷烘漆房等。

4 . 3 玻璃纤维腻子性能检测

玻璃纤维腻子性能检测委托第三方进行,检测项点参照TB/T 2393 附录B《腻子的技术要求》,检测结果如表1 所列。

玻璃纤维腻子检测结果

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从表1 的测试结果可知,玻璃纤维腻子在性能上是满足标准要求的。

4 . 4 温度循环测试试验

4. 4. 1 试验过程

为模拟车辆在运营过程中因温度变化而引起型材形变(热胀冷缩)最终导致腻子与型材间或腻子内部产生较大的应变情况,以便测试玻璃纤维腻子在较大温差情况下的抗开裂性能。


试验中2 块铝合金试样采用搭接焊的方式拼焊一起(完全模拟动车组端墙搭接焊区域,也是车体最容易收缩开裂的区域),并对其进行清洁除油后,喷砂处理,喷涂环氧底漆,玻璃纤维腻子找补,满刮不饱和聚酯腻子,最后喷涂聚氨酯中涂漆及面漆,施工方法按厂家提供的TD S 及现场工艺文件执行。试件在常温下放置7 d,送第三方进行检测,检测方法参照G B 1 4 9 0 7 第6 .4 .9 节。


4 .4 .2 试验结果与分析

试样在恒温恒湿箱内- 20 ℃ 条件下冷冻3 h ,取出试样立即在5 0 ℃ 条件下恒温3 h ,重复以上步骤,共进行1 5 个循环。从试验结果可知,无论是- 20 ℃ 极冷条件下引起的试件体积收缩,还是在5 0 ℃ 高温条件下引起的试件体积膨胀,玻璃纤维腻子都没有发生开裂现象。


这是因为添加在腻子中的玻璃纤维自身强度就很高,可以承受较大的收缩或拉伸应力。再加上玻璃纤维腻子中纤维的密度较高,单位体积的腻子就能承受更大的应力。因此,玻璃纤维腻子完全能满足轨道交通车辆在不同温度区间内的使用要求,也能承受住材料应力随温度的变化。


为进一步测试玻璃纤维腻子的使用性能,将该试件继续放于露天环境下长时间进行观察。5 个月后,试件表面涂层未有凹陷、裂纹出现,也无剥落现象产生,说明玻璃纤维腻子在刮涂厚度较大(试件干膜厚度6m m)的情况下依旧具有优异的抗收缩性。


4. 5 耐冲击试验

4 . 5 . 1 试验过程

本试验主要测试玻璃纤维腻子膜厚增加情况下的耐冲击性能及复合涂层的防撞击能力,以进一步测试玻璃纤维在应力分散方面的作用。选择6 块不锈钢板,分别标记为1 #、2#、3 #、4 #、5 #、6 #,1 # ~ 5 # 经打磨清洁后分别刮涂玻璃纤维腻子,厚度分别为1 m m 、2 m m 、3m m 、4 m m 、5 m m ,6 # 经打磨清洁后喷涂环氧底漆,刮涂玻璃纤维腻子、弹性聚酯腻子,喷涂中涂漆及面漆。所有试件在常温下放置7 d 后,参照G B /T 1 7 3 2 标准进行耐冲击试验测试。


4 .5 .2 试验结果

耐冲击试验结果如表2 所列。

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试件耐冲击测试结果

从表2 可知,随着玻璃纤维腻子厚度的增加,试件的耐冲击高度也相应增加。这是因为腻子厚度的增加,必然为会导致玻璃纤维总量的增加,这样腻子层就能承受更大的冲击力。在测试复合涂层(6 #)的耐冲击试验时,其耐冲击高度为5 0 c m ,涂层外表面无任何开裂、皱纹及剥落现象,较单涂层(腻子)效果更好。


其原因是面漆的主要成分为聚氨酯,而腻子的成分则为聚酯,一般聚氨酯的柔韧性较聚酯好。另外在玻璃纤维腻子与面漆之间还有一层弹性聚酯腻子,弹性腻子能很好地吸收重锤的冲击力,并使其分散到周围区域,避免局部冲量过大。再加上玻璃纤维腻子良好的耐冲击性,最终使得复合涂层的耐冲击性能明显好于任何一个单涂层。


4. 6 现场工艺试验

4 . 6 . 1 试验过程

选择2 块约1 . 5 m 2 的铝合金试件,分别标记为A 、B ,2 块试件表面均不平整,A 表面为2 条凸起约3 m m的焊缝,B 表面为2 条凸起约1 0 m m 的安装槽。具体试验过程如下:

1)对A 、B 试件分别进行清洁除油、喷砂处理,再进行环氧底漆喷涂。

2)使用80 目砂纸打磨环氧底漆表面后,对A 试件表面的2 条焊缝1 #、2# 分别刮涂玻璃纤维腻子及不饱和聚酯腻子,使试件焊缝处的区域圆滑过渡,对B试件表面的2 条安装槽3 #、4 # 分别刮涂玻璃纤维腻子及不饱和聚酯腻子,使试件安装槽处的区域圆滑过渡。

3)使用80 目砂纸打磨A 、B 试件表面(重点打磨腻子找补区域),并用除尘布对试件表面进行清洁。再对试件表面刮涂不饱和聚酯腻子,刮涂遍数为6 遍,预先2 遍横刮、再2 遍纵刮,最后再横刮与纵刮各1 遍(模拟动车组刮涂工艺)。

4)使用80 目及1 80 目砂纸逐级打磨试件表面,清洁除尘后喷涂聚氨酯中涂,干燥后局部找补,最后分别喷涂聚氨酯白油及聚氨酯黑油。

4 . 6 . 2 试验结果与分析

A 、B 试件放置5 个月后,用不饱和聚酯腻子找补的区域均出现了不同程度的凹陷或开裂现象,而用玻璃纤维腻子找补的区域未出现开裂现象,仅3 # 中出现了收缩,结果见表3 。

从表3 可知,在同等凹陷深度或凸起高度情况下,使用玻璃纤维腻子进行找补的效果明显好于不饱和聚酯腻子的找补效果。在A 试件和B 试件中,不饱和聚酯腻子找补区域均出现了不同程度的收缩,并且在4 #中部分出现了开裂现象,即随着找补膜厚的增加,不饱和聚酯腻子干燥后收缩的形变增大,由此产生的内应力也将变得越大,最终将导致腻子的开裂。


而用玻璃纤维腻子找补的区域中,1 # 无明显变化,3 # 出现了轻微收缩。这是因为玻璃纤维腻子的树脂成分是不饱和聚酯,依旧会存在固化后收缩的情况。但是因其添加了玻璃纤维,其收缩比例明显降低,同时由于玻璃纤维起到应力分散的作用,使得1 #、3 # 均无开裂现象。

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现场工艺试验结果

综上所述,玻璃纤维腻子在抗收缩、防开裂方面优于不饱和聚酯腻子,更加适用于表面平整度较差的焊缝区域的找补。


4 . 7 整车试验

为进一步测试玻璃纤维腻子在动车组车辆上的适用性,选择动车组某T c 车及M 车为试验对象,对端墙搭接焊区域、司机室区域及车身凹陷较深的其他区域使用玻璃纤维腻子进行找补,同时制作随车样板。

玻璃纤维腻子找补结束并干燥完全后,按原有工艺流程及文件对车辆进行打磨清洁,整车刮涂弹性聚酯腻子(不饱和聚酯腻子)、喷涂中涂漆及面漆。车辆涂装完后,玻璃纤维腻子找补区域表面完好,无任何缺陷,但整车试验是一个长期试验,是测试玻璃纤维腻子在真实环境下的使用性能。因此试验的结果需长时间运营后(至少经历一个五级修)方能测出一个准确值,该试验需继续跟踪与测试。

 

5 结论与分析

通过上述理论分析及试验结果可知,体积变化(收缩或膨胀) 和材料自身强度不足是引起腻子收缩开裂的主要因素。玻璃纤维腻子一方面能减少体积的变化,最终减少应力的产生,另一方面,内部玻璃纤维能增强材料的强度,最终使得腻子能承受更大的应力。


此消彼涨下,使得玻璃纤维腻子在抗收缩防开裂方面明显优于普通不饱和聚酯腻子。试验结果显示,玻璃纤维腻子在刮涂厚度为3 m m 、6 m m 时均未有任何收缩现象,而当刮涂厚度超过1 0 m m 时出现了收缩但未有开裂。


经统计,车体表面凹陷或焊缝区域一般不超过5 m m ,大部分在1 . 5 m m 以下,因此玻璃纤维腻子基本能满足车辆表面所有区域的找补要求。另外,在试验中发现玻璃纤维的长度和添加量、施工过程中的刮涂遍数及涂层间的选择对最终的涂装质量影响较大。


1)玻璃纤维的长度和添加量必须适中,不能一味地追求使用性能而忽视了施工性能。如增加玻璃纤维的长度,腻子层的应力分散作用及耐冲击力方面会有所提高,但是其稠度会明显增加,给腻子调配及刮涂过程造成很大影响。如增加玻璃纤维的添加量,腻子层的抗收缩性也会更好,但同样会影响刮涂性能。因此,必须平衡玻璃纤维腻子的使用性能与施工性能。


2)对于车体表面凹陷较深的区域,使用玻璃纤维腻子找补时,应分多次进行,不可一次找补完成。因玻璃纤维的存在,腻子流动性较差,若一次找补完成,很可能在底部形成镂空部分。当凹陷深度超过3 m m 时,最好分2 次进行找补,每次找补过程中都需在刮刀上施加一定的力,确保凹陷区域被腻子填充完全。另外,因玻璃纤维腻子可操作时间短(常温下约5 m i n),需少量多次地进行调配和使用。


3)涂层的选择不仅需考虑配套性,还得顾及涂装后的美观效果。玻璃纤维腻子刮涂后表面较为粗糙,需在其表面刮涂弹性聚酯腻子,以确保其表面的光滑与平整,这样做能进一步提高涂层的耐冲击性。在试验中,环氧底漆、玻璃纤维腻子及弹性不饱和聚酯腻子间配套性良好,层与层之间未发现咬底现象。经对随车样板进行附着力测试,玻璃纤维腻子与环氧底漆间的附着力为0 级,而与弹性不饱和聚酯腻子间的附着力为1 级,满足使用要求。

 

6 结语

玻璃纤维腻子因其内部增强纤维的作用,具有良好的抗收缩防开裂性能,非常适用于轨道交通车辆凹陷区域的找补。


为了防止涂层开裂,人们常常会限定腻子层厚度,甚至降低车辆表面平整度,给车辆外观带来较大影响。玻璃纤维腻子将在保证涂层主要性能的前提下,进一步提高表面平整度,从而有效确保了车辆美观效果。相信在不远的将来,玻璃纤维腻子在轨道交通行业的应用将会越来越广泛。


来源:中车广东轨道交通车辆有限公司 作者:杨德要,李健仪,李勇

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