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水性环氧混凝土封闭底涂料的研究
 

 
                             水性环氧混凝土封闭底涂料的研究

                                     周玉生

                  (中冶集团建筑研究总院工程材料院防水所,北京100088)

    摘要:简述了室温固化水性环氧混凝土封闭底涂料的特点,重点讨论了该涂料的配方设计及其主要成分对涂膜性能的影响,给出了水性环氧封闭底涂料的参考配方及性能。

    关键词:水性环氧涂料;室温固化;混凝土底涂料;配方设计

    1·概述

    传统混凝土封闭底漆多含有芳烃类、酮类及醇类等有机溶剂,具有挥发性,对环境易造成污染。本项目研究的是采用复配的液态环氧树脂与水性环氧固化剂所组成的低VOC水性环氧底涂料体系,通过活性共溶剂来调节环氧树脂的粘度以提高施工性与封闭性,同时改善涂料的粘结性能。本研究所采用的多胺改性固化剂既是交联剂又是乳化剂,能够很好地分散或溶解在水中,从而对环氧树脂具有良好的乳化作用。 

    该水性环氧封闭底涂料可在湿的或新浇筑的混凝土表面施工,对混凝土表面有良好的附着力及封闭性,并可防止泛碱。其封闭面上可直接施工溶剂型或水性环氧地坪涂料以及聚脲(SPUA)涂层。与溶剂型环氧涂料相比,该水性环氧封闭底涂料具有以下优势:

    1)优异的耐碱性和抗泛碱性;

    2)水作为分散介质,低VOC含量,无环境污染;

    3)可在室温和潮湿环境中固化,具有较短的固化时间及较高的交联度;

    4)对混凝土基材具有良好的附着力及封闭性,可与水泥或砂浆配合使用。

    2·实验部分

    2.1原材料

    环氧E-44,岳阳石化公司;

    环氧E-51,无锡阿尔兹化工公司;

    固化剂:B-203,B-205,B-206,上海汉中公司

    固化剂:B-113,无锡昌连合成;

    消泡剂:B-998,北京金源化学;

    共溶剂:乙二醇单乙醚,江苏瑞佳化学。

    2.2性能测试依据标准

    柔韧性:GB 173l—93;

    干燥时间:GB/T 1728—1989;

    粘结强度:JC/T 907—2002;

    耐碱性:GB/T 1763—1989;

    附着力:GB/T 1720—1989。

    2.3配方设计

    

                 

    3·结果与讨论

    对实验配方的测试结果如表2所示。由于粘结性能和柔韧性能的综合效应与附着力性能具有等效性,干燥时间与适用期也具有等效性,而耐碱性能全部合格,因此下面仅讨论分析各因子对粘结强度、柔韧性、表干时间的影响,对施工性能仅做定性讨论。

    利用正交法计算的数据来分析主次影响因子,以便优选配方的因子水平组合,为进一步的试验提供有价值的依据。对表2的测试数据进行归纳整理,结果见表3,其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别为各对应列(因子)上1、2、3、4水平的特定性能数据和,其计算式是:

    Ⅰi(Ⅱi,Ⅲi,Ⅳi)=第i列上对应水平(1,2,3,4)的特定性能数据和;

    K i为i水平数据的综合平均值=Ⅰi/水平i的重复次数。

    首先考虑各实验因子对涂料柔韧性能的影响。

             

    以因子A为例,单独列出4个A因子水平对应的柔韧性数据是不能比较的,因为造成数据差异的原因除A因子外还有其他因素。但从整体上看,因子A1与其他因子各水平值全部匹配过,A2、A3、A4亦是如此。这对于A因子下的4个数据综合来说,与B、C、D、E处于完全平等状态,此时A因子就具有可比性。所算得A因子下4次试验的柔韧性数值之和:

    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。

    分别填在A列下的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4行。再分别除以水平重复次数4,表示A1、A2、A3、A4时平均意义下的柔韧性,填入下4行Kl、K2、K3、K4。R行称为极差,表明因子对结果的影响幅度。同样地,为了分析B、C、D、E因子对柔韧性的影响,也算出同一水平下对应的性能数据和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ,再计算其平均值K和极差R并填入表3中。

             

    按照同样方法,计算出A、B、C、D、E因子对粘结性能及表干时间的影响数据,将相应的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和极差R填入表4及表5中。

              

    3.1 E-51/E-44比例对涂料性能的影响

    由图1及表3、表5的R值可以看出,E-51/E-44(因子A)对涂料的干燥时间、施工性及柔韧性都有较显著的影响。随着E-51/E-44比例的增加,涂膜柔韧性逐渐变差,施工性能变好,而表干时间变长。

             

    这是由于环氧树脂的分子量及粘度的差异性造成的。E-51属于低粘度低分子量液体环氧树脂,无法只通过水分蒸发来达到表干,而必须经过固化反应才能达到表干。而树脂E-44分子量高于E-51,固化剂分子必须从水相中迁移到环氧树脂微粒表面,进而扩散到微粒内部才能反应,仅凭水分的蒸发便可以达到表干。高分子量环氧树脂体系的缺点是成膜性能较差、粘度高,随着固化反应的进行,环氧树脂分散相的分子量和玻璃化温度逐渐提高,使得固化剂分子向环氧树脂分散相粒子内部的扩散速度逐渐变慢。因此,环氧树脂体系随着分子量增大,其成膜性及施工性也降低。

    数据表明,采用适当比例E-51/E-44复配的方式,改善了涂料的柔韧性与成膜性,缩短了干燥时间,同时也提高了涂料的施工性。综合上述分析,因子A采用0.6∶0.4为宜。

    3.2环氧基与胺氢当量比对涂料性能的影响表2、表4数据表明,环氧树脂与水性环氧固化剂的比例(因子B)对水性环氧涂料的粘结性能、附着力性能影响明显,对干燥速度的影响也呈现出明显的规律性。

    由表2、表4数据及图2可以看出,随着胺氢/环氧基比例的增加,粘结强度及附着力随之增加,而表干时间及适用期缩短。这是因为随着胺氢量的增加,固化反应的速度加快,固化交联度增加。综合上述分析,因子B选择1.2∶1为最佳水平。

             

    3.3固化剂的选择

    固化剂(因子C)是影响水性环氧涂料性能的最关键因素之一。水性环氧混凝土封闭底涂料应用在室温固化场合,要求在常温下相对于其他固化剂反应快、附着力好。在室温至50℃固化的固化剂多采用多元胺、胺加成物,利用其胺基上的活泼氢与环氧树脂分子的环氧基反应[1]。

    本研究选择B-203、B-205、B-206、B-113这4种胺类固化剂进行对比试验,由表4可看出,固化剂对粘结性能的极差R值最大,表明因子C对粘结性能影响显著,其中K1值最大,K2次之,即选择B-203为最佳因子水平。

    3.4填料对涂料的影响

    填料(因子D)的选择原则是采用低吸油量、细度适中、性能稳定的填料。考虑到水性环氧固化剂呈弱碱性,同时应用在混凝土基面上,应避免采用酸性填料。本研究主要选用云母粉、滑石粉及高铝水泥等作为填料。

    由表3及表5的数据作图3及图4。由表3、表5中的R值可看出,因子D对涂料柔韧性能及干燥性能影响最为显著,适量加入能大大缩短干燥时间,提高涂膜粘结强度,同时可降低涂料成本;但过量加入则会大大降低涂层的柔韧性,同时增加涂料的粘度,从而导致涂料施工性能下降。

             

    综合上述分析,因子D选择25或40为佳。本研究中,考虑到环氧树脂组分粘度较高,填料仅加在双组分中的固化剂组分中。

    3.5共溶剂

    共溶剂(因子E)也是影响涂料粘结性能的关键因素之一。表2及图5显示,体系中加与不加共溶剂对粘结性能影响显著,这说明共溶剂在体系中不仅仅是一种稀释剂或溶剂,而且是一种活性成分,对双组分的固化交联反应起到了促进作用。

              

    加入共溶剂后,使涂料的最低成膜温度逐渐降低,有利于固化凝结成膜。同时,还能调节涂料体系的粘度,改善水性环氧涂料的流平性及施工性。在温度较低的季节施工,共溶剂可起到稀释剂的作用。根据上述数据,共溶剂的添加量以E2(1%)为宜。  

     3.6其他助剂

    在配方体系中,除上述提到的组分,还有抑泡剂、消泡剂、润湿剂等组分。

    润湿剂:因为水的表面张力较高,对混凝土底材的润湿性较差,特别是有油脂残余的表面更难以润湿,这时应加入润湿剂来提高其润湿性。

    抑泡剂和消泡剂:在水性环氧固化剂组分中,由于胺固化剂的存在,降低了表面张力而容易夹带空气,涂料配制和施工也容易带入空气,因此配方中要加入抑泡剂和消泡剂。通常在分散前加入抑泡剂,分散后再加入消泡剂,这样才能使底涂料在涂装时形成平整的涂层[2]。

    4·结论

    综合上述讨论分析结果,选择A2B1C1D2E2及A2B1C1D3E2因子组合符合性能设计要求,但考虑到成本的因素,以配方A2B1C1D3E2为最佳配方。

    参考文献

    [1]陈平,王德中主编.环氧树脂及其应用.北京:化学工业出版社.2004,50

    [2]涂伟萍.主编.水性涂料.北京:化学工业出版社.2007,283-285

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