多因素狀況下熱阻涂料固化特性及機理研究

孫曉龍，馬 強，鄒 超，賀紹華，孟 濤，王娉諾

（1. 廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 5100006；2. 中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230；3. 福州大學(xué) 建筑學(xué)院，福建 福州 350116）

熱阻涂料作為一種新型降溫材料，廣泛應(yīng)用于建筑和工業(yè)等領(lǐng)域[1-2]. 近幾年來，道路工作者為解決瀝青路面的高溫病害問題，將熱阻涂料逐步應(yīng)用于路面工程中，并依靠其良好的熱阻功效對道路產(chǎn)生顯著降溫效果[3-7]. 但在實際應(yīng)用中，由于熱阻涂料在施工過程中受到光照、濕度等一系列環(huán)境因素的影響，其固化過程受到了不同程度的破壞，如：熱阻涂料出現(xiàn)的坑槽和氣泡等不良狀況. 這大幅度影響其在道路表面的使用壽命. 因此，熱阻涂料的固化狀況對其性能的發(fā)揮具有至關(guān)重要的作用.

在熱阻涂料固化狀況研究方面，國內(nèi)外學(xué)者主要開展了以下研究：周立勛等[8]對雙組份環(huán)氧涂料的固化機理及成膜機制進行了研究；劉宏等[9]研究了聚酯粉末涂料的固化過程的反應(yīng)序列和特點；Chen等[10]研究了自發(fā)熱涂料的固化機制和觸發(fā)條件；Guin等[11]研究了固化劑對于環(huán)氧材料的固化過程的影響；張?zhí)煸频萚12]對環(huán)氧丙烯酸樹脂的紫外線固化過程展開了研究；Chen等[13]對固化過程中不同組分對于涂料成膜性能的影響進行了研究和評價；張斌等[14]研究了低揮發(fā)不飽和聚酯涂料的固化特性；Ali等[15]對環(huán)氧樹脂在木質(zhì)表面的UV固化機理進行了研究；Xing等[16]研究了太陽反射涂層的性能及固化時間等；Zheng等[17]對太陽反射涂料的成膜狀態(tài)及固化機理進行了研究；Cao等[18]研制了新型熱反射涂料，并對其老化過程及固化反應(yīng)等進行了詳細(xì)研究和分析. 綜上所述，現(xiàn)有研究多集中于固化劑對固化過程的影響、熱阻涂料自身固化機制等方面，缺乏針對環(huán)境因素對熱阻涂料固化狀況影響的相關(guān)研究.

因此，本文制備具有熱阻功效的路表用熱阻涂料，借助太陽輻射模擬設(shè)備、程控恒溫恒濕設(shè)備以及定控風(fēng)裝置系統(tǒng)研究熱阻涂料在不同光照強度、濕度及風(fēng)速條件下的固化時間變化規(guī)律及表面狀況.借助SEM，對不同環(huán)境因素條件下熱阻涂料固化狀態(tài)進行微觀表征，并深入分析了不同因素影響條件下熱阻涂料的固化機理，為熱阻涂料在道路領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

1 材料制備與試驗方法

1.1 熱阻涂料制備

(1) 原材料組成.

選擇市面上常用的熱阻涂料原料，其中載體材料主要采用環(huán)氧樹脂和聚酰胺樹脂，熱阻添加劑采用銳鈦型鈦白粉及無機陶瓷顏料，隔熱材料采用?；⒅?，顏料采用鐵綠粉，流平劑采用丙烯酸樹脂，助劑采用工業(yè)乙醇. 主要原材料技術(shù)性能指標(biāo)如表1～3所示.

表1 熱阻添加劑技術(shù)性能指標(biāo)Tab.1 Technical indice of thermal agent

表2 隔熱材料技術(shù)性能指標(biāo)Tab.2 Technical indice of thermal insulating agent

表3 流平劑技術(shù)性能指標(biāo)Tab.3 Technical indice of leveling agent

(2) 制備方法.

將熱阻涂料各原材料定量稱取，并分別裝入潔凈容器中，將環(huán)氧樹脂和聚酰胺樹脂預(yù)先倒入高速攪拌機內(nèi)，以2 000 rad/s的轉(zhuǎn)速勻速攪拌3 min，將助劑分別加入攪拌機拌鍋內(nèi)部，以1 500 rad/s的轉(zhuǎn)速勻速攪拌2 min，將熱阻添加劑及隔熱材料混合后，采用手動攪拌器攪拌均勻，然后分4次加入拌鍋中，并采用1 000 rad/s的轉(zhuǎn)速勻速攪拌，最后將流平劑加入拌鍋內(nèi)，以1 000 rad/s的轉(zhuǎn)速勻速攪拌2 min，將混合物過篩之后即完成熱阻涂料的制備. 將制備好的熱阻涂料涂刷于30 cm×30 cm×5 cm的車轍板試件表面，然后進行相關(guān)固化時間試驗.

1.2 固化時間研究試驗方法

(1) 基于光照強度的固化時間試驗.

基于光照強度的固化時間試驗主要采用太陽輻射模擬設(shè)備進行不同光照強度條件下的熱阻涂料固化時間研究. 依據(jù)夏季室外真實光照強度，試驗主要在0.4 W/m2、0.6 W/m2、0.8 W/m2和1.0 W/m2這4個強度下進行，試驗環(huán)境溫度30℃，濕度50%. 每個光照強度下進行3組平行試驗. 基于光照強度的固化時間測試設(shè)備如圖1所示.

圖1 太陽輻射模擬設(shè)備Fig.1 Solar radiation simulating equipment

(2) 基于濕度的固化時間試驗.

基于濕度的固化時間試驗采用M-435型程控恒溫恒濕儀. 試驗主要在50%、70%、90%及110%這4個相對濕度條件下進行，其中環(huán)境溫度控制在25 ℃. 每個濕度下進行3組平行試驗. 基于濕度的固化時間測試設(shè)備如圖2所示.

圖2 程控恒溫恒濕設(shè)備Fig.2 Temperature and humidity controll equipment

(3) 基于風(fēng)速的固化時間試驗.

基于風(fēng)速的固化時間試驗采用定控風(fēng)試驗裝置進行試驗，試驗主要在1.5 m/s、3.0 m/s、4.5 m/s及6 m/s這4個風(fēng)速條件下進行，其中環(huán)境溫度控制在25 ℃. 每個風(fēng)速下進行3組平行試驗. 基于風(fēng)速的固化時間試驗測試設(shè)備如圖3所示.

圖3 定控風(fēng)裝置Fig.3 Wind control device

(4) SEM分析.

SEM試驗采用日本電子株式會社生產(chǎn)的JSM-6390A型掃描電子顯微鏡，放大倍數(shù)為1 000～10 000倍. 本文主要采用5 000倍方法倍數(shù)進行微觀表征. 為保證熱阻涂料能夠更穩(wěn)定成像，SEM分析試驗前，采用E-1045型離子濺射儀及Pt-Pd合金膜對熱阻涂料試樣進行噴金處理. SEM分析試驗設(shè)備如圖4～5所示.

圖4 掃描電鏡Fig.4 Scanning electron microscope

圖5 噴金設(shè)備Fig.5 Gold spraying equipment

2 不同因素對熱阻涂料固化時間的影響研究

2.1 基于光照強度條件的熱阻涂料固化時間

根據(jù)前述試驗方法對熱阻涂料進行不同光照強度條件下的固化時間試驗，試驗結(jié)果如圖6所示.

圖6 不同光照強度條件下固化時間變化Fig.6 Curing time variation under different solar intensities

由圖6分析可知，隨著光照強度的逐漸增強，熱阻涂料的固化時間顯著減小，固化時間的減小趨勢呈直線趨勢. 這表明光照強度的增強能夠顯著加快熱阻涂料的固化及其內(nèi)部醇類溶劑的揮發(fā)，從而明顯縮短其完全固化所消耗的時間，加快其應(yīng)用在道路上的開放交通時間.

2.2 基于濕度條件的熱阻涂料固化時間

根據(jù)前述試驗方法對熱阻涂料進行不同濕度條件下的固化時間試驗，試驗結(jié)果如圖7所示.

圖7 不同濕度條件下固化時間變化Fig.7 Curing time variation under different humidity

由圖7分析可知，濕度的增加會引起熱阻涂料固化時間的逐漸延長，增長的趨勢呈現(xiàn)出了二次函數(shù)拋物線趨勢. 當(dāng)濕度從50%增加到70%過程中，濕度對于固化時間的影響相對較小，固化時間沒有發(fā)生較為明顯的變化，但當(dāng)濕度繼續(xù)增大時，固化時間出現(xiàn)明顯延長. 這表明，當(dāng)濕度較小時，其對于熱阻涂料固化時間的影響較小；當(dāng)濕度增加到一定節(jié)點后，熱阻涂料的固化時間會明顯延長.

2.3 基于風(fēng)速條件的熱阻涂料固化時間

根據(jù)前述試驗方法對熱阻涂料進行不同風(fēng)速條件下的固化時間試驗，試驗結(jié)果如圖8所示.

圖8 不同風(fēng)速條件下固化時間變化Fig.8 Curing time variation under different wind speeds

通過對圖8進行分析可知，隨著風(fēng)速的逐漸增加，固化時間呈直線下降趨勢，這表明風(fēng)速對于熱阻涂料的固化具有明顯的促進效果. 但不同風(fēng)速條件下固化時間變化曲線的斜率絕對值明顯低于光照強度條件下固化時間變化曲線的斜率絕對值，這說明，相對于光照強度，風(fēng)速對于熱阻涂料固化時間的影響相對較小.

3 多因素狀況下熱阻涂料固化機理研究

3.1 基于SEM的固化狀態(tài)分析

(1) 強光照條件下固化狀態(tài)微觀分析.

本節(jié)借助SEM材料分析手段，分別對自然環(huán)境下(25 ℃，自然光、風(fēng)以及濕度)固化的熱阻涂料試件和強光照條件下(1 W/m2)固化的試件進行微觀結(jié)構(gòu)表征. 不同條件下熱阻涂料固化試件的掃描電鏡照片如圖9所示.

圖9 不同光照強度條件下熱阻涂料表面固化狀況Fig.9 Surface curing status of thermal insulating coating under different solar intensities

對比分析圖9(a)和9(b)可知，在自然環(huán)境下固化的熱阻涂料表面呈現(xiàn)出平整和規(guī)則的表面狀況，沒有明顯的團聚、板塊狀以及不規(guī)則溝痕出現(xiàn)，而在強光照條件下干燥的熱阻涂料試件固化后，其局部出現(xiàn)了明顯的不規(guī)則裂痕和塊狀分割特征，同時還呈現(xiàn)出明顯的分層狀況. 這表明在強光照條件下熱阻涂料雖能夠快速完成固化，但其固化后表面會出現(xiàn)較為明顯的性狀變化，這可能會在后續(xù)應(yīng)用中對于熱阻涂料的耐久性和應(yīng)用性能產(chǎn)生不良影響.

(2) 高濕度條件下固化狀態(tài)微觀分析.

在自然環(huán)境下(25 ℃，自然光、風(fēng)以及濕度)和高濕度狀況下(相對濕度110%)固化的熱阻涂料試件的微觀結(jié)構(gòu)進行表征和分析. 不同條件下熱阻涂料固化試件的掃描電鏡照片如圖10所示.

由圖10分析可知，自然環(huán)境條件下和高濕度狀況下熱阻涂料表面微觀形貌基本一致，在高濕度狀況下熱阻涂料固化后，表面平整，分布規(guī)則，表面形貌并未出現(xiàn)明顯變化. 這表明濕度的增加雖然會延緩熱阻涂料的固化進程，但不會對熱阻涂料的固化質(zhì)量產(chǎn)生不利影響.

(3) 強風(fēng)速條件下固化狀態(tài)微觀分析.

在自然環(huán)境下(25 ℃，自然光、風(fēng)以及濕度)和高風(fēng)速狀況下(6 m/s)固化的熱阻涂料試件的微觀結(jié)構(gòu)進行表征和分析. 不同條件下熱阻涂料固化試件的掃描電鏡照片如圖11所示.

對比分析圖11(a)和11(b)可知，高風(fēng)速狀況下熱阻涂料固化后，其表面狀況與自然狀況下存在些許差異，其表面層狀結(jié)構(gòu)更加明顯. 這可能是由于在強風(fēng)的作用下，熱阻涂料表面出現(xiàn)了幅度極為微小的推移，從而加深其微觀形貌上的差異，但該差異相對較小，不會對熱阻涂料的應(yīng)用效果產(chǎn)生不良影響.

3.2 光照強度對固化時間的影響機理

光照強度能夠顯著縮短路用熱阻涂料固化時間，這可能是由于在強光照條件下，試件溫度會迅速提升，助劑分子運動速度加快，能夠在較短時間內(nèi)揮發(fā)完全，同時，溫度的升高還會加快樹脂與固化劑二者之間的反應(yīng)，加快熱阻涂料的強度形成，從而大幅度縮短路用熱阻涂料的固化時間.

圖10 不同濕度條件下熱阻涂料表面固化狀況Fig.10 Surface curing status of thermal insulating coating under different humidity

雖然光照強度增強能夠大幅度縮短熱阻涂料固化時間，但在完全固化后，熱阻涂料表面及內(nèi)部出現(xiàn)大量的氣泡和坑槽，局部區(qū)域還出現(xiàn)了變色等嚴(yán)重病害，無法滿足相關(guān)規(guī)范的要求. 這可能是由于當(dāng)將熱阻涂料涂刷至瀝青路面表面時，會將路面孔隙中的空氣封存在熱阻涂料內(nèi)部. 在常規(guī)固化過程中內(nèi)部封存氣體會隨著熱阻涂料的流動和滲透而逐漸排出，但當(dāng)熱阻涂料受到強光照時，熱阻涂料固化時間顯著縮短，阻止了熱阻涂料內(nèi)部氣體的排出，導(dǎo)致熱阻涂料在氣體尚未完全排出時即發(fā)生硬化，造成了熱阻涂料表面及內(nèi)部出現(xiàn)大量氣泡，嚴(yán)重影響了熱阻涂料的使用性能. 因此，應(yīng)盡量避免在夏季強光照和高溫天氣進行熱阻涂料施工工作.

圖11 不同風(fēng)速條件下熱阻涂料表面固化狀況Fig.11 Surface curing status of thermal insulating coating under different wind speeds

由圖12可看出，在完全固化后，熱阻涂料表面出現(xiàn)大量的氣泡和坑槽，局部區(qū)域還出現(xiàn)了變色等嚴(yán)重病害，同時，在微觀形貌(見圖9)圖中也可明顯看出涂料固化后其表面出現(xiàn)了明顯的分層狀況，這也從微觀尺度上驗證了在高光照強度條件下固化后熱阻涂料出現(xiàn)的一系列表面問題. 而這些早期固化病害的出現(xiàn)主要是由于當(dāng)熱阻涂料受到強光照時，熱阻涂料固化時間顯著縮短，阻止了熱阻涂料內(nèi)部氣體的排出，導(dǎo)致熱阻涂料在氣體尚未完全排出時即發(fā)生硬化，造成了熱阻涂料表面及內(nèi)部出現(xiàn)大量氣泡，嚴(yán)重影響了熱阻涂料的使用性能.

圖12 強光照條件下熱阻涂料表面固化狀況Fig.12 Surface curing status of thermal insulating coating under different solar intensities

3.3 濕度對固化時間的影響機理

濕度的增加會明顯延緩路用熱阻涂料固化，這可能是由于在正常濕度狀況下熱阻涂料所處環(huán)境中水蒸汽分子濃度較小，分布較為稀疏. 而路用熱阻涂料與外界環(huán)境接觸面中的溶劑分子經(jīng)揮發(fā)作用易散布到周圍環(huán)境中水蒸汽分子之間的空隙中，不會受到明顯的阻力作用，而溶劑分子的揮發(fā)能夠加快表層路用熱阻涂料的固化.

但當(dāng)環(huán)境中濕度明顯增大后，在單位空間內(nèi)水蒸汽分子的數(shù)量出現(xiàn)了顯著的增加，而在路用熱阻涂料的溶劑揮發(fā)的過程中，水蒸汽分子數(shù)量的增大會導(dǎo)致溶劑分子與水蒸汽分子之間碰撞，大幅增加溶劑分子的揮發(fā)阻力. 這在一定程度上延緩了熱阻涂料材料中溶劑的揮發(fā)，從而延緩了路用熱阻涂料固化. 濕度對固化時間影響過程見圖13.

圖13 不同濕度條件下熱阻涂料固化狀況Fig.13 Curing status of thermal insulating coating under different humidity

3.4 風(fēng)速對固化時間的影響機理

外界環(huán)境中風(fēng)速的增加能夠顯著縮短路用熱阻涂料的固化時間. 這可能是由于在路用熱阻涂料固化過程中，溶劑分子在外界環(huán)境的影響下逐漸從熱阻涂料內(nèi)部揮發(fā)到大氣環(huán)境中. 而外界風(fēng)速的增強能夠大幅度提高路用熱阻涂料接觸面的空氣流動速度，這能夠?qū)崿F(xiàn)溶劑分子空間位置的快速轉(zhuǎn)換，從而降低路用熱阻涂料周圍環(huán)境中的溶劑分子及水蒸汽分子濃度. 這在一定程度上加快了路用熱阻涂料的固化，縮短了其固化時間，而且風(fēng)速越大，溶劑分子揮發(fā)速度越快，熱阻涂料固化時間越短. 風(fēng)速對固化時間影響過程見圖14.

圖14 不同風(fēng)速條件下熱阻涂料固化狀況Fig.14 Curing status of thermal insulating coating under different wind speeds

4 結(jié)語

(1) 光照強度的增強能夠顯著加快熱阻涂料的固化及其內(nèi)部醇類溶劑的揮發(fā)，從而明顯縮短其完全固化所消耗的時間；當(dāng)濕度增加到一定節(jié)點后，會明顯延長熱阻涂料的固化時間；風(fēng)速對于熱阻涂料的固化具有明顯的促進效果.

(2) 在強光照條件下干燥的熱阻涂料試件固化后，其局部出現(xiàn)了明顯的不規(guī)則裂痕和塊狀分割特征，同時還呈現(xiàn)出明顯的分層狀況；高濕度狀況、高風(fēng)速狀況下與自然環(huán)境條件下，熱阻涂料表面微觀形貌相差較小，可見，這些條件不會對熱阻涂料的固化質(zhì)量產(chǎn)生不利影響.

(3) 當(dāng)熱阻涂料受到強光照時，熱阻涂料在氣體尚未完全排出即發(fā)生硬化，阻止了熱阻涂料內(nèi)部氣體的排出，其表面及內(nèi)部出現(xiàn)大量氣泡和坑槽，應(yīng)盡量避免在夏季強光照和高溫天氣進行熱阻涂料施工工作.

(4) 當(dāng)環(huán)境中濕度明顯增大后，在單位空間內(nèi)水蒸汽分子的數(shù)量出現(xiàn)了顯著的增大，水蒸汽分子數(shù)量的增加會導(dǎo)致溶劑分子與水蒸汽分子之間碰撞，大幅增加溶劑分子的揮發(fā)阻力，從而延緩了路用熱阻涂料固化.

(5) 外界風(fēng)速的增強能夠大幅度提高路用熱阻涂料接觸面的空氣流動速度，能實現(xiàn)溶劑分子空間位置的快速轉(zhuǎn)換，從而降低了路用熱阻涂料周圍環(huán)境中的溶劑分子及水蒸汽分子濃度，這在一定程度上加快了路用熱阻涂料的固化.