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水性環(huán)氧混凝土封閉底涂料的研究

                           水性環(huán)氧混凝土封閉底涂料的研究

                                     周玉生

                  （中冶集團(tuán)建筑研究總院工程材料院防水所,北京100088）

    摘要：簡(jiǎn)述了室溫固化水性環(huán)氧混凝土封閉底涂料的特點(diǎn)，重點(diǎn)討論了該涂料的配方設(shè)計(jì)及其主要成分對(duì)涂膜性能的影響，給出了水性環(huán)氧封閉底涂料的參考配方及性能。

    關(guān)鍵詞：水性環(huán)氧涂料;室溫固化；混凝土底涂料；配方設(shè)計(jì)

    1·概述

    傳統(tǒng)混凝土封閉底漆多含有芳烴類、酮類及醇類等有機(jī)溶劑，具有揮發(fā)性，對(duì)環(huán)境易造成污染。本項(xiàng)目研究的是采用復(fù)配的液態(tài)環(huán)氧樹脂與水性環(huán)氧固化劑所組成的低VOC水性環(huán)氧底涂料體系，通過(guò)活性共溶劑來(lái)調(diào)節(jié)環(huán)氧樹脂的粘度以提高施工性與封閉性，同時(shí)改善涂料的粘結(jié)性能。本研究所采用的多胺改性固化劑既是交聯(lián)劑又是乳化劑，能夠很好地分散或溶解在水中，從而對(duì)環(huán)氧樹脂具有良好的乳化作用。

    該水性環(huán)氧封閉底涂料可在濕的或新澆筑的混凝土表面施工，對(duì)混凝土表面有良好的附著力及封閉性，并可防止泛堿。其封閉面上可直接施工溶劑型或水性環(huán)氧地坪涂料以及聚脲（SPUA）涂層。與溶劑型環(huán)氧涂料相比，該水性環(huán)氧封閉底涂料具有以下優(yōu)勢(shì)：

    1）優(yōu)異的耐堿性和抗泛堿性；

    2）水作為分散介質(zhì)，低VOC含量，無(wú)環(huán)境污染；

    3）可在室溫和潮濕環(huán)境中固化，具有較短的固化時(shí)間及較高的交聯(lián)度；

    4）對(duì)混凝土基材具有良好的附著力及封閉性，可與水泥或砂漿配合使用。

    2·實(shí)驗(yàn)部分

    2.1原材料

    環(huán)氧E-44，岳陽(yáng)石化公司；

    環(huán)氧E-51，無(wú)錫阿爾茲化工公司；

    固化劑：B-203，B-205，B-206，上海漢中公司；

    固化劑：B-113，無(wú)錫昌連合成；

    消泡劑：B-998，北京金源化學(xué)；

    共溶劑：乙二醇單乙醚，江蘇瑞佳化學(xué)。

    2.2性能測(cè)試依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

    柔韌性：GB 173l—93；

    干燥時(shí)間：GB/T 1728—1989；

    粘結(jié)強(qiáng)度：JC/T 907—2002；

    耐堿性：GB/T 1763—1989；

    附著力：GB/T 1720—1989。

    2.3配方設(shè)計(jì)

    3·結(jié)果與討論

    對(duì)實(shí)驗(yàn)配方的測(cè)試結(jié)果如表2所示。由于粘結(jié)性能和柔韌性能的綜合效應(yīng)與附著力性能具有等效性，干燥時(shí)間與適用期也具有等效性，而耐堿性能全部合格，因此下面僅討論分析各因子對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度、柔韌性、表干時(shí)間的影響，對(duì)施工性能僅做定性討論。

    利用正交法計(jì)算的數(shù)據(jù)來(lái)分析主次影響因子，以便優(yōu)選配方的因子水平組合，為進(jìn)一步的試驗(yàn)提供有價(jià)值的依據(jù)。對(duì)表2的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納整理，結(jié)果見表3，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別為各對(duì)應(yīng)列（因子）上1、2、3、4水平的特定性能數(shù)據(jù)和，其計(jì)算式是：

    Ⅰi（Ⅱi，Ⅲi，Ⅳi）=第i列上對(duì)應(yīng)水平（1，2，3，4）的特定性能數(shù)據(jù)和；

    K i為i水平數(shù)據(jù)的綜合平均值=Ⅰi/水平i的重復(fù)次數(shù)。

    首先考慮各實(shí)驗(yàn)因子對(duì)涂料柔韌性能的影響。

    以因子A為例，單獨(dú)列出4個(gè)A因子水平對(duì)應(yīng)的柔韌性數(shù)據(jù)是不能比較的，因?yàn)樵斐蓴?shù)據(jù)差異的原因除A因子外還有其他因素。但從整體上看，因子A1與其他因子各水平值全部匹配過(guò)，A2、A3、A4亦是如此。這對(duì)于A因子下的4個(gè)數(shù)據(jù)綜合來(lái)說(shuō)，與B、C、D、E處于完全平等狀態(tài)，此時(shí)A因子就具有可比性。所算得A因子下4次試驗(yàn)的柔韌性數(shù)值之和：

    ⅠA＝xl+x2+x3+x4＝3+2+3+4＝12；

    ⅡA＝x5+x6+x7+x8＝2+3+2+3＝10；

    ⅢA＝x9+x10+x11+x12＝3+3+2+2=10；

    ⅣA=x13+x14+x15+x16＝2+1+3+2=8。

    分別填在A列下的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4行。再分別除以水平重復(fù)次數(shù)4，表示A1、A2、A3、A4時(shí)平均意義下的柔韌性，填入下4行Kl、K2、K3、K4。R行稱為極差，表明因子對(duì)結(jié)果的影響幅度。同樣地，為了分析B、C、D、E因子對(duì)柔韌性的影響，也算出同一水平下對(duì)應(yīng)的性能數(shù)據(jù)和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，再計(jì)算其平均值K和極差R并填入表3中。

按照同樣方法，計(jì)算出A、B、C、D、E因子對(duì)粘結(jié)性能及表干時(shí)間的影響數(shù)據(jù)，將相應(yīng)的ⅠA、ⅡA、ⅢA、ⅣA，ⅠB、ⅡB、ⅢB、ⅣB，ⅠC、ⅡC、ⅢC、ⅣC，ⅠD、ⅡD、ⅢD、ⅣD，ⅠE、ⅡE、ⅢE、ⅣE及其平均值K和極差R填入表4及表5中。

    3.1 E-51/E-44比例對(duì)涂料性能的影響

    由圖1及表3、表5的R值可以看出，E-51/E-44（因子A）對(duì)涂料的干燥時(shí)間、施工性及柔韌性都有較顯著的影響。隨著E-51/E-44比例的增加，涂膜柔韌性逐漸變差，施工性能變好，而表干時(shí)間變長(zhǎng)。

    這是由于環(huán)氧樹脂的分子量及粘度的差異性造成的。E-51屬于低粘度低分子量液體環(huán)氧樹脂，無(wú)法只通過(guò)水分蒸發(fā)來(lái)達(dá)到表干，而必須經(jīng)過(guò)固化反應(yīng)才能達(dá)到表干。而樹脂E-44分子量高于E-51，固化劑分子必須從水相中遷移到環(huán)氧樹脂微粒表面，進(jìn)而擴(kuò)散到微粒內(nèi)部才能反應(yīng)，僅憑水分的蒸發(fā)便可以達(dá)到表干。高分子量環(huán)氧樹脂體系的缺點(diǎn)是成膜性能較差、粘度高，隨著固化反應(yīng)的進(jìn)行，環(huán)氧樹脂分散相的分子量和玻璃化溫度逐漸提高，使得固化劑分子向環(huán)氧樹脂分散相粒子內(nèi)部的擴(kuò)散速度逐漸變慢。因此，環(huán)氧樹脂體系隨著分子量增大，其成膜性及施工性也降低。

    數(shù)據(jù)表明，采用適當(dāng)比例E-51/E-44復(fù)配的方式，改善了涂料的柔韌性與成膜性，縮短了干燥時(shí)間，同時(shí)也提高了涂料的施工性。綜合上述分析，因子A采用0.6∶0.4為宜。

    3.2環(huán)氧基與胺氫當(dāng)量比對(duì)涂料性能的影響表2、表4數(shù)據(jù)表明，環(huán)氧樹脂與水性環(huán)氧固化劑的比例（因子B）對(duì)水性環(huán)氧涂料的粘結(jié)性能、附著力性能影響明顯，對(duì)干燥速度的影響也呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。

    由表2、表4數(shù)據(jù)及圖2可以看出，隨著胺氫/環(huán)氧基比例的增加，粘結(jié)強(qiáng)度及附著力隨之增加，而表干時(shí)間及適用期縮短。這是因?yàn)殡S著胺氫量的增加，固化反應(yīng)的速度加快，固化交聯(lián)度增加。綜合上述分析，因子B選擇1.2∶1為最佳水平。

    3.3固化劑的選擇

    固化劑（因子C）是影響水性環(huán)氧涂料性能的最關(guān)鍵因素之一。水性環(huán)氧混凝土封閉底涂料應(yīng)用在室溫固化場(chǎng)合，要求在常溫下相對(duì)于其他固化劑反應(yīng)快、附著力好。在室溫至50℃固化的固化劑多采用多元胺、胺加成物，利用其胺基上的活潑氫與環(huán)氧樹脂分子的環(huán)氧基反應(yīng)[1]。

    本研究選擇B-203、B-205、B-206、B-113這4種胺類固化劑進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，由表4可看出，固化劑對(duì)粘結(jié)性能的極差R值最大，表明因子C對(duì)粘結(jié)性能影響顯著，其中K1值最大，K2次之，即選擇B-203為最佳因子水平。

    3.4填料對(duì)涂料的影響

    填料（因子D）的選擇原則是采用低吸油量、細(xì)度適中、性能穩(wěn)定的填料�？紤]到水性環(huán)氧固化劑呈弱堿性，同時(shí)應(yīng)用在混凝土基面上，應(yīng)避免采用酸性填料。本研究主要選用云母粉、滑石粉及高鋁水泥等作為填料。

    由表3及表5的數(shù)據(jù)作圖3及圖4。由表3、表5中的R值可看出，因子D對(duì)涂料柔韌性能及干燥性能影響最為顯著，適量加入能大大縮短干燥時(shí)間，提高涂膜粘結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)可降低涂料成本；但過(guò)量加入則會(huì)大大降低涂層的柔韌性，同時(shí)增加涂料的粘度，從而導(dǎo)致涂料施工性能下降。

    綜合上述分析，因子D選擇25或40為佳。本研究中，考慮到環(huán)氧樹脂組分粘度較高，填料僅加在雙組分中的固化劑組分中。

    3.5共溶劑

    共溶劑（因子E）也是影響涂料粘結(jié)性能的關(guān)鍵因素之一。表2及圖5顯示，體系中加與不加共溶劑對(duì)粘結(jié)性能影響顯著，這說(shuō)明共溶劑在體系中不僅僅是一種稀釋劑或溶劑，而且是一種活性成分，對(duì)雙組分的固化交聯(lián)反應(yīng)起到了促進(jìn)作用。

    加入共溶劑后，使涂料的最低成膜溫度逐漸降低，有利于固化凝結(jié)成膜。同時(shí)，還能調(diào)節(jié)涂料體系的粘度，改善水性環(huán)氧涂料的流平性及施工性。在溫度較低的季節(jié)施工，共溶劑可起到稀釋劑的作用。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，共溶劑的添加量以E2（1%）為宜。

     3.6其他助劑

    在配方體系中，除上述提到的組分，還有抑泡劑、消泡劑、潤(rùn)濕劑等組分。

    潤(rùn)濕劑：因?yàn)樗谋砻鎻埩︔^高，對(duì)混凝土底材的潤(rùn)濕性較差，特別是有油脂殘余的表面更難以潤(rùn)濕，這時(shí)應(yīng)加入潤(rùn)濕劑來(lái)提高其潤(rùn)濕性。

    抑泡劑和消泡劑：在水性環(huán)氧固化劑組分中，由于胺固化劑的存在，降低了表面張力而容易夾帶空氣，涂料配制和施工也容易帶入空氣，因此配方中要加入抑泡劑和消泡劑。通常在分散前加入抑泡劑，分散后再加入消泡劑，這樣才能使底涂料在涂裝時(shí)形成平整的涂層[2]。

    4·結(jié)論

    綜合上述討論分析結(jié)果，選擇A2B1C1D2E2及A2B1C1D3E2因子組合符合性能設(shè)計(jì)要求，但考慮到成本的因素，以配方A2B1C1D3E2為最佳配方。

    參考文獻(xiàn)

    [1]陳平，王德中主編．環(huán)氧樹脂及其應(yīng)用．北京：化學(xué)工業(yè)出版社．2004，50

    [2]涂偉萍.主編．水性涂料．北京：化學(xué)工業(yè)出版社．2007，283-285

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