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道路橋梁用水性防腐涂料的配方設(shè)計(jì)

2018-06-26 13:37:44 作者：趙春艷，王靜，冀志江，曹延鑫，馮喆來源：《涂料工業(yè)》分享至：

涂料工業(yè)：

隨著人們對(duì)混凝土橋梁使用壽命、外觀要求的提高，混凝土涂裝越來越受到重視。涂層技術(shù)是一種簡便有效的防腐措施，一般通過刷涂、刮涂、輥涂、噴涂等方式在混凝土表面形成一層可阻止水和其他水溶性介質(zhì)滲入混凝土的涂層，從而推遲腐蝕介質(zhì)向混凝土內(nèi)部滲透的時(shí)間，提高混凝土的耐久性。本研究從原材料的選擇、配方設(shè)計(jì)、性能檢測(cè)等方面，對(duì)道路橋梁用混凝土防腐蝕涂料進(jìn)行了分析研究，篩選出性價(jià)比適宜的涂料配方體系，其實(shí)用性、功能性為客戶提供了更好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 配方設(shè)計(jì)

1.1 顏填料的選擇

顏填料的種類有很多，不同的顏填料對(duì)涂料的耐候性、耐腐蝕性等影響較大，其中白色顏料以鈦白粉性能最優(yōu)，常見的其他填料有碳酸鈣、高嶺土、滑石粉、重晶石、云母粉、硅灰石等。作為道路橋梁用的水性防腐涂料，要求涂料本身具有一定的耐候性和抗紫外線能力。

一般來說，在耐酸堿要求的環(huán)境下，可采用沉淀BaSO4（即重晶石）等惰性材料；若需增加涂膜的耐化學(xué)藥品性和機(jī)械性能，則應(yīng)選擇云母和滑石粉類的填料；對(duì)于有耐光和耐熱要求的場(chǎng)合，可采用絹云母等填料。

1.2 乳液的選擇

可采用的成膜基料有純丙、硅丙、苯丙、氟碳、有機(jī)硅等乳液，根據(jù)合成的單體分析，純丙、有機(jī)硅、氟碳乳液具有較好的抗紫外線性能，硅丙乳液的吸水率低。

1.3 配方的PVC值

涂料配方的設(shè)計(jì)中，顏料體積濃度（PVC）是涂料配方設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)，不同的PVC對(duì)涂膜的耐擦洗性、光澤、耐水性、耐候性有很大影響。

在低PVC 體系中，基料不僅完全包裹了所有的顏料與填料，而且多余的基料填滿了所有的空隙。涂料的保護(hù)功能來自于形成的堵塞了毛細(xì)孔的類似塑料薄膜的涂層。此種涂料可以很好地降低對(duì)外界液態(tài)水的吸收。高PVC 體系中，乳液聚合物不能將顏料和填料粒子間的空隙完全填滿，會(huì)保留一定量的空氣，涂膜透氣性上升，同時(shí)耐洗刷性有一定程度的下降。

綜合以上因素，選用的基礎(chǔ)配方如表1所示。

表1 基礎(chǔ)配方

2 試驗(yàn)部分

2.1 原材料和儀器

鈦白粉902：杜邦；有機(jī)硅樹脂乳液：WACKER；絹云母GA-4：滁州格銳礦業(yè)；高嶺土、硫酸鋇、重鈣：國產(chǎn)；苯丙乳液296DS：巴斯夫；硅丙乳液：北京東耕化工；純丙乳液6018：北京科信；氟碳乳液：北京潤博恒通；色差計(jì)：北京辰泰克儀器技術(shù)有限公司；光澤儀：日本柯尼卡美達(dá)；紫外可見分光光度計(jì)：（Lambda950）、鼓風(fēng)干燥箱、恒溫恒濕干燥箱、電子天平、漏斗狀玻璃管：市售。

2.2 測(cè)試方法

依據(jù)GB/T1733-1993測(cè)試涂膜耐水性；依據(jù)JG/T210-2007測(cè)試涂膜抗泛堿性、抗鹽析性、透水性；依據(jù)GB/T9265-1988測(cè)試涂膜耐堿性。按照ISO 9050-2003測(cè)定填料的紫外吸收性能。先將待測(cè)粉體用制樣器壓成粉餅狀，在上面放置一片無色玻璃（以免粉體污染鏡頭），再將粉餅與玻璃一起放入儀器內(nèi)準(zhǔn)備測(cè)試，波長范圍290～2 290 nm，將測(cè)得的反射率值乘以系數(shù)，以計(jì)算出反射率值。

按照GB/T 50082-2009中的氯離子遷移系數(shù)法測(cè)試氯離子滲透性。將直徑和高度均為100 mm的混凝土試塊上先涂刷底漆和面漆，干燥后從試件中部切取高度為50 mm 的圓柱體作為試驗(yàn)用樣品。試驗(yàn)結(jié)束后，將樣品軸向劈成兩個(gè)半圓柱體，在試件斷面上噴涂AgNO3溶液顯色指示劑，根據(jù)觀察到的顏色變化，測(cè)量顯色分界線離試件底部的距離，測(cè)量值占試件高度的百分?jǐn)?shù)為試件的氯離子滲透深度。

3 結(jié)果與討論

3.1 顏填料物相分析

3.1.1 顏填料結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)比

鈦白粉晶體呈棱形，單位晶格較小且排列緊密，所以具有較大的穩(wěn)定性，較高的折射率。絹云母、高嶺土均呈片狀結(jié)構(gòu)，重晶石呈規(guī)則的板狀、柱狀，滑石粉呈板狀晶體結(jié)構(gòu)，重鈣粉為不規(guī)則的顆粒狀，部分呈現(xiàn)板狀。片狀或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的排列組成，平行于涂膜表面，降低了漆膜的水滲透性，有利于提高耐候性，所以在此配方設(shè)計(jì)中，選用鈦白粉（提高遮蓋力）作為顏料，高嶺土、絹云母、重晶石作為填料。

3.1.2 顏填料紫外吸收能力的對(duì)比

一般認(rèn)為填料的耐候性取決于其紫外線吸收性能，吸收紫外線的能力越強(qiáng)對(duì)涂膜的耐候性貢獻(xiàn)越大。本研究對(duì)涂料中常用的顏填料的紫外線吸收性進(jìn)行了測(cè)定，用計(jì)算出的反射率值和波長作圖。結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，波長范圍在290～400 nm之間時(shí)，有一個(gè)波谷值，對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)為顏填料的反射率，反射率大約分別是：重鈣80%、鈦白粉15%、滑石粉80%、高嶺土30%、絹云母20%，反射率越高，吸收紫外線能力越差，二者是互補(bǔ)的關(guān)系。即紫外線的吸收率是：重鈣20%、鈦白粉85%、滑石粉20%、高嶺土70%、絹云母80%，硫酸鋇對(duì)紫外線幾乎沒有吸收功能。

圖1 顏填料的紫外吸收譜圖

3.2 顏填料比例對(duì)涂料的影響

在配方中添加氟碳乳液（不添加有機(jī)硅），制得氟碳涂料，其中顏料選用鈦白粉，填料選用重鈣、重晶石、滑石粉、高嶺土，調(diào)整不同的顏填料比例，對(duì)得到的白色氟碳涂膜進(jìn)行戶外曝曬，一個(gè)月后測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

表2 顏填料比例對(duì)涂膜性能的影響

由表2可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)顏填料比例為1：9時(shí)，涂料性能最差，3：7時(shí)涂料的色差變化小，粉化程度輕微，顏填料比例在5:5時(shí)涂料的色差變化最小，粉化程度、沉降程度幾乎無。所以，涂料配方設(shè)計(jì)中可選擇m（顏料）：m（填料）=5：5，填料選用2～3種復(fù)配，性能最佳。

3.3 不同種類的乳液涂膜的性能

按照表1配方配制PVC為30%的涂料，分別選取純丙、苯丙、硅丙、有機(jī)硅、氟碳乳液作為成膜物質(zhì)，測(cè)試涂膜的吸水率、色差等。

3.3.1 不同種類乳液對(duì)吸水率的影響

實(shí)驗(yàn)選擇2種硅丙乳液和2種有機(jī)硅乳液作為底漆的成膜物質(zhì)，將配制的底漆涂覆于混凝土試塊上，考察了底漆涂膜的吸水率隨時(shí)間的變化規(guī)律，并以未涂底漆的混凝土試塊作為空白樣進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同種類底漆對(duì)吸水率的影響

由圖2可知，與空白試樣相比，涂覆了底漆的混凝土試塊的吸水率都較低。其中，由硅丙乳液a制得的涂層吸水率最低，硅丙乳液b次之，有機(jī)硅乳液a、b制得的涂層吸水率相差不大，但高于硅丙乳液。涂覆4種底漆的混凝土試塊浸泡2 4h后基本達(dá)到吸水飽和。

另外，實(shí)驗(yàn)還選擇純丙、苯丙、高硅、氟碳和有機(jī)硅5種乳液作為面漆的成膜物質(zhì)，將配制的面漆涂覆于混凝土試塊上，考察了面漆涂膜的吸水率隨時(shí)間的變化規(guī)律，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同種類面漆對(duì)吸水率的影響

由圖3可知，隨著時(shí)間的延長，由氟碳和有機(jī)硅乳液復(fù)配制得的面漆涂膜吸水率最低，氟碳乳液面漆、有機(jī)硅乳液面漆涂膜吸水率也較低，二者差異不大，苯丙乳液面漆吸水率最高。原因分析：有機(jī)硅乳液是一種水性的硅烷硅氧烷乳液，當(dāng)乳液涂刷在基材之后，發(fā)生水解反應(yīng)轉(zhuǎn)化成硅樹脂，并產(chǎn)生憎水性。因有機(jī)硅乳液比硅丙乳液的價(jià)格要高很多，考慮到性價(jià)比的因素，硅丙乳液a作為底漆使用，有機(jī)硅乳液和氟碳乳液作為面漆使用，吸水率最低。

3.3.2 不同種類乳液對(duì)色差的影響

將涂刷了不同種類面漆的混凝土塊放置到戶外，選取試板上某一固定區(qū)域?yàn)闇y(cè)試點(diǎn)，每隔1個(gè)月測(cè)試1次，通過暴曬前后的數(shù)值計(jì)算色差的變化△E。本實(shí)驗(yàn)是在夏季6～8月份進(jìn)行的，此段時(shí)間紫外線強(qiáng)度較高，雨水量充足，能較好地反映出外界環(huán)境對(duì)涂膜的破壞情況。

表3 耐候性試驗(yàn)后涂料的色差變化

注：（１）—老化2個(gè)月后的色差。

由表3可發(fā)現(xiàn)，氟碳和有機(jī)硅乳液配制得的面漆涂膜經(jīng)戶外暴曬后，△E最小，氟碳面漆、有機(jī)硅面漆的△E次之，分別是4.48、5.35，即氟碳和有機(jī)硅乳液配制的面漆，戶外耐久性相對(duì)較好。

3.4 PVC對(duì)涂膜光澤膜的影響

采用3.3.1中硅丙乳液作為底漆，按照表1中配方，分別配制PVC為30%、40%、50%的涂料，將白色涂料調(diào)成灰色（道路橋梁涂料一般以灰色為主），進(jìn)行戶外暴曬，選取試板上某一固定區(qū)域?yàn)闇y(cè)試點(diǎn)，每隔1個(gè)月測(cè)試1次，通過暴曬前后的保光率，評(píng)判漆膜的失光程度。測(cè)試時(shí)間是夏季6月份至8月份。

表 4 PVC對(duì)涂膜保光率的影響