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水性環氧混凝土封閉底涂料的研究
 

 
                             水性環氧混凝土封閉底涂料的研究

                                     周玉生

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

    摘要:簡述了室溫固化水性環氧混凝土封閉底涂料的特點,重點討論了該涂料的配方設計及其主要成分對涂膜性能的影響,給出了水性環氧封閉底涂料的參考配方及性能。

    關鍵詞:水性環氧涂料;室溫固化;混凝土底涂料;配方設計

    1·概述

    傳統混凝土封閉底漆多含有芳烴類、酮類及醇類等有機溶劑,具有揮發性,對環境易造成污染。本項目研究的是采用復配的液態環氧樹脂與水性環氧固化劑所組成的低VOC水性環氧底涂料體系,通過活性共溶劑來調節環氧樹脂的粘度以提高施工性與封閉性,同時改善涂料的粘結性能。本研究所采用的多胺改性固化劑既是交聯劑又是乳化劑,能夠很好地分散或溶解在水中,從而對環氧樹脂具有良好的乳化作用。 

    該水性環氧封閉底涂料可在濕的或新澆筑的混凝土表面施工,對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氧地坪涂料以及聚脲(SPUA)涂層。與溶劑型環氧涂料相比,該水性環氧封閉底涂料具有以下優勢:

    1)優異的耐堿性和抗泛堿性;

    2)水作為分散介質,低VOC含量,無環境污染;

    3)可在室溫和潮濕環境中固化,具有較短的固化時間及較高的交聯度;

    4)對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·實驗部分

    2.1原材料

    環氧E-44,岳陽石化公司;

    環氧E-51,無錫阿爾茲化工公司;

    固化劑:B-203,B-205,B-206,上海漢中公司;

    固化劑:B-113,無錫昌連合成;

    消泡劑:B-998,北京金源化學;

    共溶劑:乙二醇單乙醚,江蘇瑞佳化學。

    2.2性能測試依據標準

    柔韌性:GB 173l—93;

    干燥時間:GB/T 1728—1989;

    粘結強度:JC/T 907—2002;

    耐堿性:GB/T 1763—1989;

    附著力:GB/T 1720—1989。

    2.3配方設計

    

                 

    3·結果與討論

    對實驗配方的測試結果如表2所示。由于粘結性能和柔韌性能的綜合效應與附著力性能具有等效性,干燥時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粘結強度、柔韌性、表干時間的影響,對施工性能僅做定性討論。

    利用正交法計算的數據來分析主次影響因子,以便優選配方的因子水平組合,為進一步的試驗提供有價值的依據。對表2的測試數據進行歸納整理,結果見表3,其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別為各對應列(因子)上1、2、3、4水平的特定性能數據和,其計算式是:

    Ⅰi(Ⅱi,Ⅲi,Ⅳi)=第i列上對應水平(1,2,3,4)的特定性能數據和;

    K i為i水平數據的綜合平均值=Ⅰi/水平i的重復次數。

    首先考慮各實驗因子對涂料柔韌性能的影響。

             

    以因子A為例,單獨列出4個A因子水平對應的柔韌性數據是不能比較的,因為造成數據差異的原因除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,A2、A3、A4亦是如此。這對于A因子下的4個數據綜合來說,與B、C、D、E處于完全平等狀態,此時A因子就具有可比性。所算得A因子下4次試驗的柔韌性數值之和:

    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次數4,表示A1、A2、A3、A4時平均意義下的柔韌性,填入下4行Kl、K2、K3、K4。R行稱為極差,表明因子對結果的影響幅度。同樣地,為了分析B、C、D、E因子對柔韌性的影響,也算出同一水平下對應的性能數據和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ,再計算其平均值K和極差R并填入表3中。

             

    按照同樣方法,計算出A、B、C、D、E因子對粘結性能及表干時間的影響數據,將相應的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)對涂料的干燥時間、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,而表干時間變長。

             

    這是由于環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氧樹脂,無法只通過水分蒸發來達到表干,而必須經過固化反應才能達到表干。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氧樹脂微粒表面,進而擴散到微粒內部才能反應,僅憑水分的蒸發便可以達到表干。高分子量環氧樹脂體系的缺點是成膜性能較差、粘度高,隨著固化反應的進行,環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氧樹脂分散相粒子內部的擴散速度逐漸變慢。因此,環氧樹脂體系隨著分子量增大,其成膜性及施工性也降低。

    數據表明,采用適當比例E-51/E-44復配的方式,改善了涂料的柔韌性與成膜性,縮短了干燥時間,同時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環氧基與胺氫當量比對涂料性能的影響表2、表4數據表明,環氧樹脂與水性環氧固化劑的比例(因子B)對水性環氧涂料的粘結性能、附著力性能影響明顯,對干燥速度的影響也呈現出明顯的規律性。

    由表2、表4數據及圖2可以看出,隨著胺氫/環氧基比例的增加,粘結強度及附著力隨之增加,而表干時間及適用期縮短。這是因為隨著胺氫量的增加,固化反應的速度加快,固化交聯度增加。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)是影響水性環氧涂料性能的最關鍵因素之一。水性環氧混凝土封閉底涂料應用在室溫固化場合,要求在常溫下相對于其他固化劑反應快、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氧樹脂分子的環氧基反應[1]。

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

    3.4填料對涂料的影響

    填料(因子D)的選擇原則是采用低吸油量、細度適中、性能穩定的填料??悸塹剿曰費豕袒臉嗜跫钚?,同時應用在混凝土基面上,應避免采用酸性填料。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的數據作圖3及圖4。由表3、表5中的R值可看出,因子D對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間,提高涂膜粘結強度,同時可降低涂料成本;但過量加入則會大大降低涂層的柔韌性,同時增加涂料的粘度,從而導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)也是影響涂料粘結性能的關鍵因素之一。表2及圖5顯示,體系中加與不加共溶劑對粘結性能影響顯著,這說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,對雙組分的固化交聯反應起到了促進作用。

              

    加入共溶劑后,使涂料的最低成膜溫度逐漸降低,有利于固化凝結成膜。同時,還能調節涂料體系的粘度,改善水性環氧涂料的流平性及施工性。在溫度較低的季節施工,共溶劑可起到稀釋劑的作用。根據上述數據,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、潤濕劑等組分。

    潤濕劑:因為水的表面張力較高,對混凝土底材的潤濕性較差,特別是有油脂殘余的表面更難以潤濕,這時應加入潤濕劑來提高其潤濕性。

    抑泡劑和消泡劑:在水性環氧固化劑組分中,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形成平整的涂層[2]。

    4·結論

    綜合上述討論分析結果,選擇A2B1C1D2E2及A2B1C1D3E2因子組合符合性能設計要求,但考慮到成本的因素,以配方A2B1C1D3E2為最佳配方。

    參考文獻

    [1]陳平,王德中主編.環氧樹脂及其應用.北京:化學工業出版社.2004,50

    [2]涂偉萍.主編.水性涂料.北京:化學工業出版社.2007,283-285

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