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道路橋梁用水性防腐涂料的配方設計

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》分享至：

涂料工業：

隨著人們對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滲入混凝土的涂層，從而推遲腐蝕介質向混凝土內部滲透的時間，提高混凝土的耐久性。本研究從原材料的選擇、配方設計、性能檢測等方面，對道路橋梁用混凝土防腐蝕涂料進行了分析研究，篩選出性價比適宜的涂料配方體系，其實用性、功能性為客戶提供了更好的經濟效益。

1 配方設計

1.1 顏填料的選擇

顏填料的種類有很多，不同的顏填料對涂料的耐候性、耐腐蝕性等影響較大，其中白色顏料以鈦白粉性能最優，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藥品性和機械性能，則應選擇云母和滑石粉類的填料；對于有耐光和耐熱要求的場合，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、有機硅等乳液，根據合成的單體分析，純丙、有機硅、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

涂料配方的設計中，顏料體積濃度（PVC）是涂料配方設計的一個重要指標，不同的PVC對涂膜的耐擦洗性、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。涂料的保護功能來自于形成的堵塞了毛細孔的類似塑料薄膜的涂層。此種涂料可以很好地降低對外界液態水的吸收。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，會保留一定量的空氣，涂膜透氣性上升，同時耐洗刷性有一定程度的下降。

綜合以上因素，選用的基礎配方如表1所示。

表1 基礎配方

2 試驗部分

2.1 原材料和儀器

鈦白粉902：杜邦；有機硅樹脂乳液：WACKER；絹云母GA-4：滁州格銳礦業；高嶺土、硫酸鋇、重鈣：國產；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：北京辰泰克儀器技術有限公司；光澤儀：日本柯尼卡美達；紫外可見分光光度計：（Lambda950）、鼓風干燥箱、恒溫恒濕干燥箱、電子天平、漏斗狀玻璃管：市售。

2.2 測試方法

依據GB/T1733-1993測試涂膜耐水性；依據JG/T210-2007測試涂膜抗泛堿性、抗鹽析性、透水性；依據GB/T9265-1988測試涂膜耐堿性。按照ISO 9050-2003測定填料的紫外吸收性能。先將待測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準備測試，波長范圍290～2 290 nm，將測得的反射率值乘以系數，以計算出反射率值。

按照GB/T 50082-2009中的氯離子遷移系數法測試氯離子滲透性。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 的圓柱體作為試驗用樣品。試驗結束后，將樣品軸向劈成兩個半圓柱體，在試件斷面上噴涂AgNO3溶液顯色指示劑，根據觀察到的顏色變化，測量顯色分界線離試件底部的距離，測量值占試件高度的百分數為試件的氯離子滲透深度。

3 結果與討論

3.1 顏填料物相分析

3.1.1 顏填料結構形態對比

鈦白粉晶體呈棱形，單位晶格較小且排列緊密，所以具有較大的穩定性，較高的折射率。絹云母、高嶺土均呈片狀結構，重晶石呈規則的板狀、柱狀，滑石粉呈板狀晶體結構，重鈣粉為不規則的顆粒狀，部分呈現板狀。片狀或層狀結構的排列組成，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，所以在此配方設計中，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比

一般認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對涂膜的耐候性貢獻越大。本研究對涂料中常用的顏填料的紫外線吸收性進行了測定，用計算出的反射率值和波長作圖。結果如圖1所示。

由圖1可知，波長范圍在290～400 nm之間時，有一個波谷值，對應的縱坐標為顏填料的反射率，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，二者是互補的關系。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 顏填料比例對涂料的影響

在配方中添加氟碳乳液（不添加有機硅），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，調整不同的顏填料比例，對得到的白色氟碳涂膜進行戶外曝曬，一個月后測試，結果如表2所示。

表2 顏填料比例對涂膜性能的影響

由表2可發現，當顏填料比例為1：9時，涂料性能最差，3：7時涂料的色差變化小，粉化程度輕微，顏填料比例在5:5時涂料的色差變化最小，粉化程度、沉降程度幾乎無。所以，涂料配方設計中可選擇m（顏料）：m（填料）=5：5，填料選用2～3種復配，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、有機硅、氟碳乳液作為成膜物質，測試涂膜的吸水率、色差等。

3.3.1 不同種類乳液對吸水率的影響

實驗選擇2種硅丙乳液和2種有機硅乳液作為底漆的成膜物質，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間的變化規律，并以未涂底漆的混凝土試塊作為空白樣進行對比，結果如圖2所示。

圖2 不同種類底漆對吸水率的影響

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后基本達到吸水飽和。

另外，實驗還選擇純丙、苯丙、高硅、氟碳和有機硅5種乳液作為面漆的成膜物質，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間的變化規律，結果如圖3所示。

圖3 不同種類面漆對吸水率的影響

由圖3可知，隨著時間的延長，由氟碳和有機硅乳液復配制得的面漆涂膜吸水率最低，氟碳乳液面漆、有機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：有機硅乳液是一種水性的硅烷硅氧烷乳液，當乳液涂刷在基材之后，發生水解反應轉化成硅樹脂，并產生憎水性。因有機硅乳液比硅丙乳液的價格要高很多，考慮到性價比的因素，硅丙乳液a作為底漆使用，有機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域為測試點，每隔1個月測試1次，通過暴曬前后的數值計算色差的變化△E。本實驗是在夏季6～8月份進行的，此段時間紫外線強度較高，雨水量充足，能較好地反映出外界環境對涂膜的破壞情況。

表3 耐候性試驗后涂料的色差變化