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水性环氧地坪的透气性验证与原理分析,为验证水性环氧地坪透气性能,建立了简捷的试验方法
2020年03月06日    阅读量:1188     新闻来源:互联网(QQ或邮件联系23341571@qq.com)    |  投稿

环氧地坪涂层由于具有洁净、美观、亮丽及整体无缝等优势,已在不同行业和领域获得广泛应用。地坪行业近几年的调查报告显示,在常规的应用领域中,环氧地坪涂料一直占据较高的市场份额,且有逐年递增的趋势,其材料体系多数以油性环氧涂料为主 。


油性环氧地坪涂料以环氧树脂、胺类固化剂为主剂,辅以其他不同的功能助剂、颜料和填料,从而获得具有不同功能的双组分地坪涂料中国化工网okmart.com


该涂料固化成型后无毒无害,但从生产到施工的过程都具有强烈的刺激性气味,尤其在密闭场所施工,气味完全散去需要较长时间。在绿色、环保、健康理念日益深入人心的今天,这些因素逐渐成为油性环氧地坪涂料发展的制约条件,而水溶性、高固含量、无溶剂涂料等绿色环保型地坪涂料逐步成为发展的新趋势 。


水性环氧地坪涂料是以水为溶剂,通过水溶性固化剂与环氧树脂或水性环氧树脂结合而成的双组分地坪涂料。市场上,第一代、第二代水性环氧涂料并存,分别标记为Ⅰ型和Ⅱ型 。


Ⅰ型涂料的特点是环氧树脂直接用乳化剂乳化,使用时,将水溶性固化剂与乳化环氧树脂直接混合即可固化成型;Ⅱ型涂料的特点是环氧树脂未被乳化,仍然为油性树脂,使用时,首先利用含有两亲基团的固化剂乳化油性环氧树脂,待树脂完全乳化后,分散于水相中,最终在水蒸发的过程中固化成型。目前,由于乳化环氧树脂的贮存稳定性较差,因此,Ⅰ型涂料的推广受到很大局限,市场上的水性环氧涂料多以Ⅱ型为主。


近年来,水性环氧地坪涂料的市场应用逐步增多,相关的理论研究也逐步深入,有些文献阐释了其固化及透气原理 ,如毛细管原理、造孔剂原理等,但这些理论不能充分解释水性环氧地坪的透气性,也无法消除终端用户的质疑。


本研究立足于Ⅱ型水性环氧地坪涂料的应用,建立了简捷的水性环氧地坪透气性验证方法,通过与油性环氧地坪涂料的对比,从新的角度分析涂料的固化过程,阐释其透气性原理及涂料性能差异化的原因,同时考察了地坪施工工艺、分散条件对透气性的影响。

 

1 原材料设备及试验方法

1. 1 原材料

油性环氧地坪涂料(无溶剂型):自制;水性环氧地坪涂料(Ⅱ型):自制。

1. 2 设备

SDF400 多用分散砂磨机:上海法孚莱机电科技发展有限公司;压力试验机:无锡市锡东建材设备厂;

JT-C50 墙面地面水分仪:泰州市精泰仪器仪表有限公司;恒温干燥箱:上海南阳仪器有限公司。

1. 3 试验方法

1. 3. 1 透气性验证试验

在2 个相同的、致密性一致的金属桶中,分别在其内部制作厚度为100 mm 的混凝土,在温度(20±1) ℃、湿度≥90%的条件下养护24 h,使混凝土的最终含水率保持在60%左右,然后按照环氧地坪施工工艺,分别施工水性环氧地坪涂料和油性环氧地坪涂料,施工厚度5 mm(一般环氧地坪涂层厚度不超过5 mm),涂料用量均为(180±5) g,如图1 所示。施工完毕后,在25 ℃下静置3 d,待涂层完全固化后,将2个金属桶放置于105 ℃ 的烘箱中烘烤24 h,观察效果,并对烘烤前后的质量进行记录分析。

透气性验证示意图

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1. 3. 2 性能测试方法

铅笔硬度、粘接强度、抗压强度、耐冲击性等力学性能,按照《GB/ T 22374—2008 地坪涂装材料》进行测试。

 

2 结果与讨论

2. 1 试验结果

2. 1. 1 透气性试验结果

在2 个金属桶的烘烤过程中,含水率较高的混凝土内部会产生蒸汽或潮气,不断向外逸出。在施工有水性环氧涂层的金属桶中,涂膜及桶底均未出现异常;而在施工有油性环氧涂层的金属桶中,涂层无异常,但金属桶底部发生了向外膨胀、鼓包的现象(见图2)。

烘烤结果

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图2(a)及图2(b)中,左边为水性涂料试验桶,右边为油性涂料试验桶。这一现象说明,油性环氧地坪涂层不具有透气性,而水性环氧地坪涂层具有透气性。在高温烘烤的条件下,混凝土中的水分逐渐转化为蒸汽逸出,水性环氧地坪涂层的透气性可以使这些蒸汽从内部透过,从而涂层的表观及铁桶底部均无变化;


但在油性环氧地坪涂层下,由于涂层不具有透气性且与混凝土粘接强度较高,不断逸出聚集的蒸汽产生较大的压强导致底部桶皮与混凝土分离,随着气体的不断膨胀,压强逐渐增大,迫使桶底变形。


2. 1. 2 质量分析结果

在相同条件下,施工水性环氧地坪涂料和油性环氧地坪涂料的金属桶在烘烤前(静置3 d)、烘烤过程中(24 h) 的整体质量随时间的变化如表1 和表2所示。

表1 烘烤前(静置3 d)不同时间点试验桶的质量

烘烤前(静置3 d)不同时间点试验桶的质量

表2 烘烤过程中不同时间点试验桶的质量

烘烤过程中不同时间点试验桶的质量

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从表1 和表2 可以看出,烘烤前后,施工油性环氧涂料的金属桶质量基本保持不变;而施工水性环氧涂料的金属桶,无论在烘烤前的养护期,还是在烘烤的过程中,其质量均不断减少,且在烘烤时损失的质量大于涂层的施工量。这说明,无论是室温条件下涂层体系内挥发的水分,还是高温环境中混凝土内部受热蒸发的水分,都可顺利地透过涂层而逸出。


2. 2 透气性原理分析

分析水性环氧涂层的透气性原理,首先要了解涂料的固化过程。水性环氧地坪涂料是多相体系,其配制过程是在高速分散机作用下,首先,含有两亲基团的固化剂乳化环氧树脂,乳化过程中,亲油基团的固化剂将高速分散下的环氧树脂微粒包裹,形成“胶囊”式的乳胶粒子,亲水基团向外,然后分散于水相中。固化成型时,在水分挥发、粒子变形、粒子合并阶段都伴随着环氧树脂与固化剂之间的化学反应 。


总的来说,存在以下2 种固化过程(见图3):(1)粒子合并固化:在乳胶粒子之间,具有合并成膜的趋势,但由于存在相界面的阻力,与其他乳胶粒子相互成膜的难度加大,只有部分乳胶粒子能够合并成较大的粒子,并逐步发生反应,且在水分完全挥发前固化成型,从而在一定范围内独立与基层形成粘接;(2)粒子独立固化:在水分完全挥发前,乳胶粒子内部,固化剂向环氧树脂迁移,快速发生反应,形成独立的固化粒子,与基层粘接。


水性环氧涂层固化成型如图3 所示。

水性环氧涂层固化成型示意图

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由图3 可知:“胶囊”式粒子固化后紧密排列,而水挥发后的空位形成“筛孔”,成为水蒸气逸出的通道,从而使得整个涂层具有透气性,这与一些研究中的SEM 图示结果一致。实际应用中,水性环氧地坪的这一特性可以保证基层混凝土中的潮气顺利透过并逸出,而不损坏环氧涂层,如图4(a)所示。


油性环氧地坪涂料的固化过程属于均相固化,环氧树脂与固化剂以分子形式均匀地分散于稀释剂或活性溶剂中,树脂与固化剂分子可以充分接触,成膜时,随着稀释剂的蒸发或活性溶剂的参与,2 种物质逐步反应形成“网络”交联的致密结构,在固化过程中无法形成透气通道。


因此,一旦混凝土基层返潮,其造成的潮气逐渐在局部累积,产生的压强迫使涂层与混凝土剥离,从而导致涂层膨胀、鼓包[见图4(b)]。在实际应用中,鼓包的位置极易受损而形成瑕疵,影响地坪的整体效果及使用 。因此,对于油性环氧地坪涂料,需要在设计时有防水措施,并保证基层含水率满足标准要求。

返潮地面不同涂层的效果

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2. 3 施工工艺对透气性的影响

实际施工过程中,一般会根据客户需求及现场情况对环氧地坪的施工工艺进行适当的变化和调整。但总体来讲,其施工工艺都包含基础处理、底漆封闭、中涂施工、腻子找平、面漆施工及养护等步骤,施工的先后顺序如图5 所示。

地坪施工工艺

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按照图5 工艺分别在图1 所示的金属桶中制作3 mm、5 mm、8 mm 的涂层,涂层厚度及透气结果见表3。

不同厚度涂层透气性检测结果

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从表3 可以看出:水性环氧地坪施工中,不同的施工厚度、不同的施工道数,均可以保证涂层具有透气性,且施工过程中石英砂(中涂施工时添加)、石英粉(腻子施工时添加)等物料的加入,仍然使涂层具有透气性,从而在使用过程中,不受潮气的影响或破坏。


2. 4 分散条件对透气性的影响

以往的研究表明,乳胶粒子的大小对水性环氧涂料的固化成膜存在影响,但乳胶粒子的大小与分散条件有关。在实际应用中,双组分材料的混合均使用手电钻进行预混、分散,速度越高,乳胶粒子被分散时的粒径越小。


越有助于固化成膜,但水性环氧地坪涂料(Ⅱ型)在高速搅拌时,容易导致环氧树脂乳化不充分,加水后,尚未乳化的环氧树脂易与水相形成非均相混合物,涂刷获得的涂层有独立的环氧树脂点,从而导致部分位点无法固化,涂层表面发黏。


分析产生上述问题的原因,在搅拌速率较大时,油性树脂被分散为小颗粒,与水性固化剂相结合,仅能达到部分乳化的效果,施工后,未被乳化的树脂颗粒形成一个不能固化的空穴,导致涂层不连续,但对透气性结果影响不明显,因此,在施工水性环氧地坪涂料时,需要按照材料说明控制好分散条件。


2. 5 力学性能对比

分别使用油性、水性环氧地坪涂料制备涂膜,经过相同条件的养护,在同一时间测试涂层硬度、粘接强度、抗压强度及耐冲击性等力学性能,测试结果如表4 所示。

涂层性能对比表

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从表4 可以看出,与油性环氧地坪涂料相比,在同一时间测试的水性环氧地坪涂料铅笔硬度、粘接强度、抗压强度值略低,其中抗压强度的差别较为明显,但均满足标准要求。


这些差异存在的首要原因在于“胶囊”式粒子在固化过程中,固化剂向树脂边扩散并固化,形成边缘交联度高,而中心交联度低的固化物,造成材料整体的交联度较低。为了进一步了解涂层,对涂层进行了耐冲击破坏性测试,结果见图6。

涂层破坏性测试结果

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从图6 可以看出,油性环氧地坪涂层受力点外出现环形裂纹,而外力作用于水性环氧地坪涂层时,仅在受力点形成破坏,对周围部位几乎无影响,这一结果进一步说明,“胶囊”式粒子在固化时是独立式固化,受外力冲击时,固化物对周边的作用或外力传递较小,不影响周边涂层,因此本研究认为,水性环氧涂层是一个“胶囊”式粒子独立固化,固化物紧密排列,且与基层或涂层形成“点位”粘接的不连续涂层。

 

3 环氧地坪涂料的制备

水性环氧地坪涂料的原料配比见表5。

水性环氧地坪涂料的原料配比

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按表5 的配方,水性固化剂使用比例为32%,甲、乙组分中成膜物的物质的量比1 ∶1. 6,制得的水性环氧涂层具有良好的透气性。

 

4 结 语

(1)水性环氧地坪涂层具有透气性,主要在于其独特的“胶囊”式粒子固化过程,实际应用中,可以避免地坪涂层产生鼓包缺陷;

(2)不同的施工厚度、施工道数,均可以保证涂层具有显著的透气性,施工中,石英砂、石英粉的加入,透气性仍然可以保证涂层不受潮气影响;分散条件不影响涂层的透气性,但不适当的分散条件会对涂层的表观造成影响;

(3)相比油性环氧地坪涂料,同一时间测试的水性环氧地坪涂料的性能略低,主要在于其固化交联程度不高。耐冲击破坏测试结果表明,油性环氧地坪涂层是一个连续整体涂膜,而水性环氧涂层是一个“胶囊”式粒子独立固化、固化物紧密排列,且与基层或涂层形成“点位”粘接的不连续涂层。


姚俊海,章荣会,霍利强,朱 硕 (北京联合荣大建材有限公司,北京101400)

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