貼膜工藝在城市軌道交通車輛車體外表面上的應用

王 煒 肖瑞金

(1.3M中國有限公司研發(fā)中心，200336，上海； 2.北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司，100037，北京//第一作者,高級技術專家)

城市軌道交通行業(yè)的發(fā)展，必將促進車輛制造及其日后翻新保養(yǎng)市場的快速增長。目前，軌道車輛表面裝飾普遍采用油漆涂裝的傳統(tǒng)工藝[1]。這一工藝具有高能耗、高污染、施工速度慢的缺點，且油漆的環(huán)保問題也未得到很好的解決。而相對較新的貼膜工藝，則因其固有的施工靈活快速、色彩豐富、畫面制作簡單易行、可降低車身自重、無VOC(揮發(fā)性有機化合物)排放以及綠色環(huán)保等優(yōu)勢,逐漸被市場所接受。

1 貼膜工藝概況

1.1 貼膜的構成

車體貼膜通常采用聚氯乙烯(PVC)材料制成。PVC分為軟PVC和硬PVC。軟PVC一般用于地板、天花板以及皮革的表層。由于軟PVC中含有柔軟劑(這也是軟PVC與硬PVC的區(qū)別)，容易變脆，不宜保存，所以使用范圍受到局限。硬PVC不含柔軟劑，柔韌性好，易成形，不宜脆，無毒無污染，保存時間長，因此具有很大的開發(fā)應用價值。PVC本質上是一種真空吸塑膜，因用于各類面板的表層包裝，所以又被稱為裝飾膜或附膠膜，應用于建材、包裝、醫(yī)藥等諸多行業(yè)。

目前，應用于城市軌道交通車輛車體外表面裝飾的貼膜主要為PVC貼膜，厚度在0.08 mm左右；如果實際使用環(huán)境對抗涂鴉性及耐磨性有較高要求，還可以配套使用相應的保護膜。貼膜的主要結構由上到下依次為透明保護膜層、PVC貼膜層、背膠層、襯紙層(見圖1)。

圖1 PVC貼膜的主要結構示意圖

通常，這些優(yōu)質貼膜的制造商還會應用專利技術在背膠上作一些特殊處理，如涂布一層玻璃微珠以方便貼膜施工時的預定位，并使用帶導氣槽的背膠以加快施工速度，提高施工質量。使用鑄造法制造的皮膜通常具有高達140%的延展率和小于0.4 mm的收縮率，為施工于車身復雜表面提供了可能性。

1.2 貼膜的壽命

市場上常見的優(yōu)質品牌貼膜，質保期可達到10年左右，使用期則更長，完全能滿足城市軌道交通車輛外部裝飾的需求。

1.3 貼膜的歷史

大約10年前，城市軌道交通車輛制造業(yè)比較發(fā)達的歐洲和日本就開始了以貼膜替代油漆涂裝應用于車輛外表面裝飾的研究。歐洲的NedTrain和RET公司從2007年開始，陸續(xù)將貼膜工藝應用于翻新鐵路車輛表面的裝飾。迄今為止，這兩家公司已經施工了超過700輛車?？紤]到歐洲涂鴉文化比較盛行，NedTrain公司還特地使用了保護膜，以提供優(yōu)異的防涂鴉功能。

1.4 國外應用案例

2011年開始的日本銀座線地鐵復刻項目(原指書籍重新刻印發(fā)行，這里指日本的一條地鐵線完全按照1930年代的外觀、外形設計重新展示)，是日本第一個用貼膜替代油漆涂裝施工于新車表面對車輛進行全包的項目。日本車輛制造株式會社(Nippon Sharyo Ltd.)使用PVC貼膜，直接施工于鋁合金光鋁車身表面，如圖2～4所示。共計施工了228輛車。

圖2 貼膜前的車體

圖3 正在貼膜的車體

圖4 貼膜后的列車

1.5 國內應用案例

我國以貼膜替代油漆涂裝工藝應用于城市軌道交通車輛外部裝飾最早始于2001年。當時的長春客車廠在廣州地鐵2號線的車輛腰線上使用了彩色貼膜，大大節(jié)省了傳統(tǒng)腰線噴漆涂裝工藝所必需的遮蔽、烘干等工序時間。此后，長春客車廠生產的絕大部分不銹鋼城市軌道交通車輛和部分鋁合金城市軌道交通車輛的盲窗、腰線均采用貼膜工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的噴漆涂裝工藝。

2006年之后，隨著高鐵的興起，貼膜開始應用于高速列車市場。雖然當時貼膜只局部應用在車身表面，但積累了大量的測試數(shù)據(jù)，為貼膜替代油漆涂裝工藝進行車輛全包提供了必要的數(shù)據(jù)支撐。

國內使用貼膜替代油漆涂裝進行車輛全包始于2012年。當時的南車集團株洲車輛廠在儲能車項目上進行了初步的嘗試，采用的方案是貼膜直接貼附于底漆表面。該項貼膜施工迄今為止已有6年多時間，通過觀測可以看到，貼膜在顏色改變率和其他抗老化性能上表現(xiàn)良好，未發(fā)現(xiàn)與油漆涂裝車身有明顯差異；在失光率的性能上，貼膜相比于油漆表現(xiàn)更好(如圖5)。

圖5 儲能車車體全包貼膜

2 貼膜工藝的試驗數(shù)據(jù)

以下是對某品牌PVC貼膜進行的一系列實驗室測試。

2.1 人工紫外加速老化試驗

參照GB 14522—2008的測試方法。試驗設備為QUV紫外線加速老化試驗箱及UVB(紫外線B燈管)。UVB的波長為313 nm，輻照度為0.49 m2。采用8 h紫外光暴露((70±3)℃)+4 h冷凝((50±3)℃)。本試驗以紫外/冷凝循環(huán)1周為1個周期，共6個周期。在各周期取出樣板進行性能檢測。1 008 h人工加速老化試驗前后的色彩模型數(shù)據(jù)及光澤度數(shù)據(jù)見表1和表2。

表1 經1 008 h人工加速老化試驗后貼膜顏色變化

表2 經1 008 h人工加速老化試驗后貼膜光澤度變化

由表1和表2可知：在經過1 008 h的人工加速老化試驗后，貼膜的顏色有輕微的發(fā)黃跡象，而光澤度的改變靠肉眼難以識別；保護膜的使用對顏色及光澤度的保持都有作用。

2.2 耐磨性試驗

該試驗依據(jù)ISO 7784-2的測試方法。3M Express保護膜貼附于鋁板表面。試驗設備為：Taber磨耗儀，CS10磨耗輪，負載100 kg，磨耗1 000轉(每200轉清潔一次表面)。試驗結果見表3。

表3 耐磨性試驗前后貼膜質量變化

ISO 7784-2要求在使用CS10磨耗輪磨損1 000轉后，質量損失最大值為0.07 g。由表3可知，3M Express保護膜的實際質量損失遠低于標準要求。

2.3 抗沖擊性試驗

該試驗依據(jù)ISO 6272-1的測試方法。3M Express保護膜和3M 8528保護膜分別貼附于鋁板表面，在如下條件下進行沖擊：①-20 ℃@2.5 N·m，直接沖擊；② +25 ℃@8 N·m，直接沖擊。不允許貼膜出現(xiàn)爆裂或破損。試驗結果見表4。

表4 貼膜抗沖擊性能試驗結果

由表4可知，3M Express保護膜和3M 8528保護膜均滿足抗沖擊性要求。

2.4 清洗液對貼膜光澤度及顏色的影響

將3M 180C銀灰色貼膜裁切成40 mm×100 mm 大小，貼敷于標準測試板上。每個顏色制作3塊樣品。

在標準溫濕度狀態(tài)(溫度(20±2)℃、相對濕度(65±5)%)下放置24 h。

使用噴壺，將pH值約為10～11的肥皂水均勻地噴灑于樣品表面，在標準溫濕度狀態(tài)(溫度(20±2)℃、相對濕度(65±5)%)下放置20 min。使用硬毛刷，以約5 N的力往復擦洗貼膜表面20次。試驗結果見表5和表6。

表5 清洗液對貼膜光澤度的影響測試結果

表6 清洗液對貼膜顏色影響測試結果

由表5和表6可知，試驗前后，貼膜光澤度有輕微變化，貼膜顏色基本無變化。

2.5 小結

除了上述測試項目外，貼膜在城市軌道交通車輛上應用時，貼膜類產品的環(huán)保性能、安全特性也是必須要考慮的。品質較好的一些國外品牌的貼膜，在有害物限量、VOC含量等項目上完全可滿足相對應的標準，在燃燒性能上也可滿足EN 45545-2標準中R1及R7 HL3的要求。

綜上所述，高質量的貼膜完全可以滿足在城市軌道交通車輛上的使用要求。

3 貼膜的粘附性及環(huán)境要求

3.1 貼膜對不同材質的粘附性

目前，適用于城市軌道交通車輛表面的貼膜通常都涂布有丙烯酸的背膠。背膠的耐候性好，適應性廣，在常見的不銹鋼車體、鋁合金車體和碳鋼噴漆車體表面都可貼覆。根據(jù)實驗室測量的數(shù)據(jù)，貼膜在這些車體表面的剝離強度均可達到0.7 kg/cm以上，完全可滿足車輛表面的使用要求。

對于地鐵運營公司現(xiàn)有舊車體的翻新，貼膜的優(yōu)勢更加明顯。施工前僅需對舊車輛銹蝕破損的漆面進行打磨，再用膩子補平，即可進行貼膜施工；且貼膜施工無需專門工位，可與其他工序交叉進行，節(jié)省了很多施工時間。

高品質的貼膜，使用期可達10年甚至更久。貼膜的背膠根據(jù)其去除性可分為永久性背膠和可去除背膠?？紤]到城市軌道交通車輛的使用時間和后續(xù)的翻新需求，建議選用質保期長且?guī)в锌扇コ衬z的貼膜。這樣，可使貼膜的使用期和車輛的大修期保持一致，且翻新時可將舊的貼膜去除掉，施工更加便利。

3.2 車體貼膜對環(huán)境的要求

貼膜施工對環(huán)境的要求比噴漆簡單很多。貼膜施工應在光照充足、清潔干燥的室內進行，要求環(huán)境溫度在10～38 ℃，環(huán)境相對濕度在10%～90%。施工現(xiàn)場一般要求配備固定式電動升降臺或移動電動升降車。電動式升降臺應貫穿車體長度，電動升降車每節(jié)車輛至少配備2輛。為方便施工，施工現(xiàn)場的照度應不低于300 lx，照明不足時可配備移動式LED(發(fā)光二極管)光源進行輔助照明。大多數(shù)車輛段維修車間均可滿足這些條件。

4 城市軌道交通車輛采用貼膜的優(yōu)點

城市軌道交通車輛在運行10年后,需在大架修車輛段進行大修。大架修車輛段通常設有油漆庫。

油漆庫的作業(yè)會產生漆霧和粉塵，對人體有一定的危害，也容易引起火災。為確保工作人員的健康安全，減少對廠區(qū)環(huán)境的污染，避免火災，現(xiàn)行《地鐵設計規(guī)范》對油漆庫的設置有嚴格的要求。油漆庫要設置通風設備，采取消防和環(huán)保措施，并對電器設備提出防爆要求。

與車體采用油漆涂裝相比，車輛大修時車體采用貼膜具有以下優(yōu)點：

(1) 不需要特殊廠房。油漆庫屬于甲類廠房，需要采取消防和環(huán)保措施。車輛車體如采用貼膜工藝，無漆霧、粉塵產生，對環(huán)境無污染。其尤其適用于有上蓋開發(fā)的車輛段。貼膜作業(yè)可在組裝工位上進行，可節(jié)約油漆庫建筑面積約2 000 m2。

(2) 可簡化車輛檢修工藝流程。車體油漆時，車輛需經移車臺往返油漆庫和組裝工位，工藝流程比較復雜。車體貼膜作業(yè)可以在組裝工位上進行，車輛不必在組裝工位和油漆庫之間周轉，簡化了工藝流程。

(3) 減少了車輛檢修時間。車輛通常在大修時才需進行油漆作業(yè)，故其工作量相對較少。而油漆庫環(huán)保要求高，土建及設備投資較大，因此，沒有特殊要求時，油漆庫不按整列車同時油漆的列位設計，需按臺位設置。根據(jù)統(tǒng)計，使用貼膜工藝，7個人每月可完成120輛(相當于6輛編組的列車20列)的貼膜;而在同等條件下，采用噴漆工藝僅能完成40輛。與油漆工藝相比，貼膜工藝可大大提高生產效率[2]。

(4) 不需噴漆設備。油漆庫需要噴漆、通風、環(huán)保、燃氣等設備，以及防爆電器等。采用貼膜工藝不需這些特殊設備，可以減少設備投資。

(5) 節(jié)約能源。采用油漆工藝，油漆庫的用電總功率需300 kW以上；如果采用燃氣烘干，天燃氣用量可達100 m3/h以上。采用貼膜工藝，不需要太大電量，也不需要烘干作業(yè)，可以減少能耗。

5 結 語

相對于傳統(tǒng)的噴漆涂裝工藝，城市軌道交通車輛車體貼膜包覆工藝可大幅減少揮發(fā)性有機物的排放，對環(huán)境保護有著十分積極的意義。目前，許多地鐵集團將資源開發(fā)經營作為其持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略和經濟增長點，把車輛段上蓋開發(fā)作為經營開發(fā)的重點，構建“軌道+物業(yè)”資源開發(fā)經營的新模式。貼膜工藝替代傳統(tǒng)噴漆涂裝工藝，可從根本上解決油漆庫對車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)產生的影響，有利于提高車輛段上蓋開發(fā)的品質。

作為一種相對比較新的工藝，貼膜替代油漆涂裝工藝裝飾城市軌道交通車輛表面，尚有一些地方不夠成熟，如貼膜前車身的表面處理、內裝貼膜現(xiàn)場施工工藝細節(jié)的規(guī)范以及貼膜驗收標準等，需要進行更深入的研究。相信隨著貼膜應用在城市軌道交通行業(yè)內的不斷推廣，這些問題很快會得到解決。