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碳纳米管在轨道交通领域水性涂层中的应用
 

 

 
碳纳米管在轨道交通领域水性涂层中的应用
 

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    随着国家对环保要求的日益提高,应用于轨道交通领域的水性涂层技术日益发展,其主要涉及到3种防腐要求: 1)应用于钢桥体系的环氧富锌防锈底漆和高铁动车转向架底面合一涂层,防腐要求均为1 000 h;2)应用于高铁动车与25型客车的重防腐底漆防腐要求均为720 h; 3)应用于机车和25型客车普通防腐要求均为500 h。为了更进一步提升产品的防腐能力,同时确保复合涂层的黏结力、耐久性、韧性,本文尝试将碳纳米管材料引入水性防腐涂料层以达到预期效果。


    碳纳米管又名巴基管,是一种具有特殊结构的一维量子材料,碳纳米管中碳原子以sp杂化为主,同时六角型网格结构存在一定程度的弯曲,形成空间拓扑结构,其中可形成一定的sp杂化键,形成的化学键具有sp和sp混合杂化状态,而这些p轨道彼此交叠在碳纳米管石墨烯片层外形成高度离域化的大∏键,碳纳米管外表面的大∏键是碳纳米管与一些具有共轭性能的大分子以非共价键复合的化学基础。在涂层中加入碳纳米管赋予的强度改善了涂层的耐久性和耐磨性,促进了涂层和基材间更紧密的结合,延长了涂层的使用寿命,增强了拉伸强度和弹性,加上碳纳米管具有优异的导热性能,使得涂层能够适应基材的热收缩和膨胀。碳纳米管的高效导电性可以大幅度提高涂层的防腐性。


    1 试验部分


    1.1 原料


    水性环氧树脂(5522-WY-55A,美国瀚森);水性环氧固化剂(6870-W-53,美国瀚森);水性羟基碳纳米管(TNM8:外径为40 ~ 60 nm,长度为10 ~ 20 μm,比表面积70 ~ 80 m2/g,纯度>98%,是天然气经过镍催化剂催化裂解制备而成,中科院成都分院);2 μm改性纳米硫酸钡(奥科粉体);分散剂(755W,迪高);水性消泡剂(DF677,海铭斯);水性有机膨润土(LT,海铭斯);防闪锈剂(ZT709,海川化工);水合硅酸镁(AD,海逸化学);气硅(R972,德固萨);钛白粉(CR501,锦州钛业);碳黑(MA-100,三菱化学);水性防锈颜料(SX-ZH-2,双马新世纪);中和剂(AMP-95,陶氏化学);锌粉(500目,扬州双盛);助溶剂(DPM,陶氏化学);去离子水(自制)。


    1.2 水性环氧底漆配方


    试验设计的灰色底漆配方如表1所列。


    采用去离子水将水合硅酸镁制成10%的浆,水性有机膨润土制成8%的预制浆。将水性环氧固化剂加入试验缸中,采用去离子水将水性分散剂、水性消泡剂、水性中和剂、水性防闪锈剂等量稀释加入试验缸中,采用400 ~ 500 r/min边搅拌边加入钛白粉、碳黑、纳米硫酸钡、10%水合硅酸镁浆、8%水性有机膨润土浆、气硅、助溶剂、水性防锈颜料、水性碳纳米管,采用600 ~ 800 r/min分散25 ~ 30 min后研磨至细度为30 μm,配方2、4、5喷板时添加锌粉,过程中视黏度需求及时补加去离子水。


    1.3 性能检测


    1.3.1 样板制备


    将配方1 ~ 5分别与水性环氧树脂按4 ∶ 1进行喷板,耐盐雾测试板的涂膜厚度控制在(60±2) μm,耐化学性能测试板的涂膜厚度控制在(60±2) μm。复合层制备方法:分别采用配方1 ~ 5底漆喷涂,厚度控制在50 ~ 60 μm,80 ℃烘烤1 h,冷却后再喷涂水性环氧云铁中间漆;厚度控制在40 ~ 50 μm, 80 ℃烘烤1 h,冷却后再喷涂水性丙烯酸聚氨酯面漆;厚度控制在


    60 ~ 70 μm,80 ℃烘烤1 h,所有干板在室温条件下养护7 d。


    1.3.2 检测方法


    将干板放置于室温条件下保养24 h检测涂膜物理性能,将干板放置于室温条件下保养7 d后检测型式项目,涂膜干燥时间按照 GB/T 1728—1979进行测试,涂膜附着力按照 GB/T 5210—2006进行测试,涂膜耐冲击性按照GB/T 1732—1993进行测试,涂膜柔韧性按照GB/T 1731—1993进行测试,涂膜耐盐雾性按照GB/T 1771—2007进行测试,涂膜耐化学性按照GB/T 23987—2009进行测试。所得涂膜的基本性能见表2所列。


    2 结果与讨论


    1)从配方1与配方2检测结果得出:随着锌粉量的增加,涂膜7 d与90 d后的附着力越来越差,同时涂膜的柔韧性、耐冲击性随着时间的推移而下降幅度较明显。


    2)从配方1与配方3检测结果得出:在体系中加入水性碳纳米管材料后,使得涂膜综合性能均有明显提升,尤其表现在90 d后涂膜柔韧性及耐冲击性方面,在对金属防护期间不会因外界力量对涂层的破坏而降低涂层的防护能力。


    3)从配方2与配方4检测结果得出:在水性环氧含锌底漆中添加了1%的水性碳纳米管材料后,同样增强了涂膜的综合性能,尤其表现在柔韧性、耐冲击性、耐盐雾性能方面。


    4)从配方4与配方5检测结果得出:当水性碳纳米管材料的量达到3%时,涂膜的耐冲击性与柔韧性进一步提升,但耐盐雾性却反而下降,可能是由于过量的碳纳米管使锌粉与碳纳米管之间存在电偶腐蚀的负面效应表现明显。


    3 结语


    主要介绍了水性碳纳米管新型材料在轨道交通领域应用的水性防腐涂料,从5个对比试验配方中验证了水性环氧防腐底漆和水性环氧含锌底漆性能,通过试验结果表明,在水性环氧体系中添加一定量的水性碳纳米管材料,可以获得非常优异的涂膜性能,完全可以解决环氧复合涂层后期偏脆、附着力下降的弊病,同时明显增加了涂膜的防护能力。此技术已经申请国家专利保护,产品已报送中国铁道科学研究院金属及化学研究所。

 

 

 
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