阻燃可雕刻環(huán)氧灰漿的制備

于欽萍　王煒

摘要：指出了目前主題公園在國內(nèi)得到大力發(fā)展，而主題公園的造型材料尤其是有機材料大多靠國外進(jìn)口，國內(nèi)尚無此類產(chǎn)品的生產(chǎn)與應(yīng)用。詳細(xì)介紹了一種可用于造型、雕的阻燃環(huán)氧樹脂材料的配制與實驗方案，實驗結(jié)果表明：該材料不僅能滿足力學(xué)性能的要求，還具有較高的施工性。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹脂；阻燃；可雕刻；灰漿

中圖分類號：TU54 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）08-0146-03

1.引言

作為一種新型的旅游目的地，主題公園（themepark）正以其獨特的文化內(nèi)涵、豐富的科技含量和強大的娛樂功能，吸引著越來越多的大眾游客。自1955年DISNEY開創(chuàng)了第一個真正意義上的主題公園以來，在美國、歐洲和日本等地迅速形成了較大的規(guī)模。1990年全球年接待超過百萬人次的大型主題公園已有225家，游客量逾3億人次，創(chuàng)造了70億美元的收入；2000年主題公園數(shù)量增加了近50%，游客數(shù)量增加了近80%，收入翻了一番。近10年來，亞洲市場也已日益成為主題公園的主導(dǎo)市場之一。我國主題公園的發(fā)展始于1989年，隨后在珠江三角洲、長江三角洲等東部經(jīng)濟發(fā)達(dá)的城市和港臺地區(qū)得到了較快的發(fā)展。主題公園本質(zhì)上是一種人造旅游景觀，著重于特定的主題、環(huán)境和氣氛，并隨時代的發(fā)展表現(xiàn)形式也日趨多樣化。

近年來總院分別啟動了新加坡圣淘沙海洋王國、珠海長隆海洋王國、華僑城、上海迪斯尼樂園等各項主題公園的承建項目。主題公園建設(shè)已列入集團的四梁八柱重點發(fā)展方向之一。阻燃可雕刻環(huán)氧樹脂灰漿作為一種全新的主題造型材料，正越來越多地被應(yīng)用于國內(nèi)外各大主題公園的景觀造型中，材料與雕刻工藝相結(jié)合，發(fā)展出了仿真程度高，耐久性優(yōu)良的各種造型。有別于目前國內(nèi)公園使用的不飽和聚酯翻模的造型，具有輕質(zhì)、耐老化、阻燃、雕刻性好、良好的自身粘接性及修補性的特點，且使用工具可水洗，已經(jīng)成功應(yīng)用到上海迪士尼樂園項目中。

2.試驗部分

2.1試驗材料

環(huán)氧樹脂，岳陽石化；柔性樹脂，日本進(jìn)口；丁基縮水甘油醚，安徽恒遠(yuǎn)化工有限公司；改性固化劑，美國空氣化工產(chǎn)品有限公司；阻燃劑，進(jìn)口；海硅烷偶聯(lián)劑KH560，南京曙光化工集團有限公司；中空玻璃微球，美國3M公司；消泡劑BYK-052N、BYK-412，德國畢克化學(xué)；抗氧劑，進(jìn)口；紫外吸收劑，進(jìn)口。

2.2阻燃雕塑環(huán)氧樹脂灰漿配制

加入環(huán)氧樹脂、柔性環(huán)氧樹脂、活性稀釋劑、消泡劑、分散助劑、抗氧劑、紫外線吸收劑和硅烷偶聯(lián)劑，分散20 min，環(huán)氧樹脂、活性稀釋劑、活性增韌劑、助劑加入到真空攪拌器，常壓分散2～5 min至均勻；阻燃劑、阻燃填料常壓分散20 min，真空分散2 min，稱重出料得阻燃可雕刻環(huán)氧樹脂灰漿甲組份。

將環(huán)氧樹脂固化劑、阻燃填料加入到真空攪拌器，分散20 min，真空分散1～2 min，稱重出料，阻燃可雕刻環(huán)氧樹脂灰漿乙組分。

按比例加入將甲乙兩組分進(jìn)行混合至均勻，熟化10 min。

3.結(jié)果與討論

3.1性能測試

測試灰漿的性能結(jié)果見表1。

3.2實驗結(jié)果討論

3.2.1環(huán)氧樹脂的選擇

無溶劑、高PVC、高觸變性環(huán)氧灰漿，相對于溶劑類環(huán)氧材料的難點在于高顏料體積濃度時的粘度控制，這嚴(yán)格關(guān)聯(lián)到生產(chǎn)與施工，同時考慮使用液態(tài)環(huán)氧樹脂作為成膜物時材料的韌性。因此，主要考慮以下幾個因素：環(huán)氧樹脂、活性稀釋劑、助劑及灰漿體系的增韌。首先是環(huán)氧樹脂的選擇，雙酚A型6101環(huán)氧樹脂軟化點在12～20℃，固在低溫時黏度增加較大，加工變得十分困難；雙酚A型環(huán)氧樹脂618相對分子質(zhì)量低，由于分子鏈的短，涂層的柔韌性降低，脆性增大，但通過增韌改性，能夠達(dá)到目標(biāo)要求。綜合以上環(huán)氧樹脂的特點，為得到具有良好的加工性能，較長的施工期效、防腐性能和低溫可操作性，以雙酚A型環(huán)氧樹脂618作為阻燃可雕刻環(huán)氧樹脂灰漿的主要基料。

3.2.2活性稀釋劑的選擇

目前，活性稀釋劑具有低毒性、弱反應(yīng)性，其較好的稀釋效果，使非極性表面獲得改善?；旌蠘渲ōh(huán)氧樹脂618和柔性環(huán)氧樹脂）自身黏度較高，為進(jìn)一步降低樹脂黏度，得到合適的混合樹脂黏度，對應(yīng)使用不同的活性稀釋劑對混合樹脂進(jìn)行稀釋，圖1是不同稀釋劑對混合樹脂的粘度影響。

圖中四條曲線是四種活性稀釋劑對環(huán)氧樹脂618的稀釋粘度，從四條曲線的對比來看，丁基縮水甘油醚對環(huán)氧樹脂的稀釋效果最好，添加量為環(huán)氧樹脂618的10%時，粘度降低到1300 mPa·s，能夠充分滿足配制環(huán)氧灰漿的粘度。

3.2.3增韌劑的選擇

未改性厚漿型無溶劑環(huán)氧涂層由于單次成膜厚，固化后韌性差，脆性大，當(dāng)與鋼材粘接部位承受外力彎曲時，容易產(chǎn)生裂紋，并迅速擴展，導(dǎo)致涂層開裂。增韌劑一般含有活性基團，能與胺基反應(yīng)，但應(yīng)用到厚漿型無溶劑環(huán)氧涂層中主要存在以下問題：①少量加入對涂層的韌性改善不明顯；②同固化劑、環(huán)氧樹脂相容性差，固化后不完全相容，并伴有相分離的情況，因此我們選擇對樹脂進(jìn)行改性，柔性環(huán)氧樹脂碳鏈長，韌性好，能提高韌性。

3.2.4助劑的選擇

高顏料體積濃度無溶劑灰漿的最關(guān)鍵的是粘度，粘度關(guān)系到生產(chǎn)與施工，控制粘度的因素除了樹脂、稀釋劑、固化劑、顏料體積濃度外，助劑也是功不可沒，因此助劑的選擇至關(guān)重要，消泡劑也是無溶劑體系中必不可少的助劑，施工前材料混合容易帶入空氣，選擇合適的消泡劑能夠在生產(chǎn)及施工過程中有效消除起泡，因此我們選擇BYK-052，該消泡劑消泡抑泡效果好，且固含高，不會帶來揮發(fā)分。此外，無溶劑厚漿灰漿容易出現(xiàn)施工時的流掛現(xiàn)象，BYK-412專門提高灰漿施工時的觸變性，添加后，灰漿粘度變化不明顯，不影響生產(chǎn)。但施工時能很好的抑制涂層流掛。

3.2.5輕質(zhì)材料的選擇

在研究初期首先對國內(nèi)外多種中空玻璃微球進(jìn)行對比，也對不同粒徑的空心微球進(jìn)行力學(xué)性能測試，添加量太低材料的可塑性很差，同時材料密度大，不利于成品的安裝；添加量太高，分散困難，同時也造成環(huán)氧灰漿狀態(tài)發(fā)散雕刻成型困難。圖2是不同種類的空心微球的力學(xué)性能對比圖。

上述三個曲線圖是不同的空心微球?qū)ψ枞伎傻窨汰h(huán)氧樹脂灰漿的抗壓強度、抗拉強度和粘接強度的影響，紅色曲線是酚醛樹脂微球，隨著微球添加量的增加，力學(xué)強度均有不同程度的下降，但三者對比酚醛樹脂空心微球的特點增稠慢，添加量大阻燃可雕刻環(huán)氧樹脂灰漿的粘度影響小，添加量2%時能夠滿足材料的力學(xué)要求，且酚醛樹脂微球微溶于水，添加后材料可以沾水施工，工具可以用水清洗。且能為帶來“粗糙”感，是造型更逼真。

3.2.6硅烷偶聯(lián)劑的影響

硅烷偶聯(lián)劑的添加量分別為0、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%、1.8%、2.1%、2.4%、2.7%和3.0%，對環(huán)氧灰漿的抗壓強度和粘接強度都有很大的影響。

從圖5的環(huán)氧灰漿的抗壓強度對比來看，偶聯(lián)劑的添加量對抗壓強度的影響較為明顯，隨著偶聯(lián)劑的添加量的增加，抗壓強度呈下降趨勢，因此，偶聯(lián)劑的添加量并非越多越好。

圖6是偶聯(lián)劑的添加量對環(huán)氧灰漿粘接強度的影響：

注：本粘接強度為阻燃可雕刻環(huán)氧樹脂灰漿層之間的粘接強度，并非環(huán)氧材料與鋼結(jié)構(gòu)表面的粘接強度。

從圖6可以看出，在硅烷偶聯(lián)劑添加量在0～2.1%范圍內(nèi)，隨著偶聯(lián)劑的添加量的增加，環(huán)氧灰漿的粘接強度不斷提高，再提高硅烷偶聯(lián)劑的用量，環(huán)氧灰漿的粘接強度變化不明顯。

綜合圖5和圖6的數(shù)據(jù)，我們最終確定硅烷偶聯(lián)劑的添加量為2.1%，能獲得良好的抗壓強度和粘接強度。

3.2.7阻燃劑及阻燃填料的選擇

傳統(tǒng)的鹵系阻燃劑雖然阻燃效果好，但燃燒時發(fā)煙量大，并伴隨產(chǎn)生有毒氣體。隨著人們環(huán)保意識的增強，阻燃劑無鹵化已成為發(fā)展趨勢。在實際應(yīng)用中，由于高分子材料性能上的差異，針對不同基材應(yīng)選擇不同的無鹵阻燃劑，我們進(jìn)行了篩選：

填料1搭配使用阻燃劑，阻燃劑的添加量和阻燃填料的添加量比例為2：8，可以通過B1級阻燃。

3.2.8固化劑的選擇

目前國內(nèi)市場固化劑種類繁多，我們選擇了低粘度、不含苯環(huán)、易混合、顏色淺的改性胺固化劑作為環(huán)氧灰漿的乙組分，且固化時間慢，利于雕刻造型。

4.結(jié)語

阻燃可雕刻環(huán)氧樹脂灰漿不同于普通的無溶劑環(huán)氧材料，其特點除了力學(xué)性能的要求，更重要的是施工性：厚涂不流墜；觸變性能優(yōu)良、雕刻紋理清晰；工具可水洗；固化時間滿足雕刻要求，同時自粘接性能優(yōu)良，以便材料修補，得到了迪士尼業(yè)主與施工方的好評。