彈性無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的成分分析和性能分析

姜廣明，馬海旭，肖凱巍，胡 水

（1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2.北京化工大學(xué)，北京 100029）

0 引言

無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料具有優(yōu)良的耐磨、耐介質(zhì)性能，能夠起到保護(hù)建筑地面的作用。有些場(chǎng)合下，工程希望使用具有彈性的無(wú)溶劑型地坪涂料，這要求材料應(yīng)當(dāng)具有一定的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和柔韌性。無(wú)溶劑型聚氨酯地坪涂料具有優(yōu)良的附著力，同時(shí)還具有優(yōu)異的耐磨性和彈性，很適合作為彈性地坪涂料使用［1］。

由于環(huán)氧樹(shù)脂的柔韌性不如聚氨酯材料，要想提高環(huán)氧地坪涂料的耐沖擊性和彈性必須在配方中加入一些增韌劑材料［2］，或者在環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)上引入橡膠彈性體的成分，以及使用彈性較高的固化劑成分。當(dāng)無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料中的活性稀釋劑的加入比例達(dá)到3.0 %～6.0 % 時(shí)，無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的邵氏硬度（D型）可以達(dá)到 80 左右，抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到 80 MPa［3］。若無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的活性稀釋劑，如縮水甘油醚的含量高達(dá) 20 %～25 % 時(shí)，稀釋劑的增塑作用明顯，無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的抗壓強(qiáng)度則能降低到 20 MPa左右［4］。廈門(mén)固克涂料集團(tuán)有限公司使用拉伸伸長(zhǎng)率來(lái)反映無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的柔韌性，不同的采用環(huán)氧大豆油作為活性稀釋劑的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料，其伸長(zhǎng)率可以從 11 % 調(diào)節(jié)到 20 %［5］。

本文研究了一款彈性無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的主漆和固化劑的成分，通過(guò)研究不同比例的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的力學(xué)性能、紅外分析、動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析和熱失重分析等，比較了彈性無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的特點(diǎn)，并給出了配方的調(diào)整意見(jiàn)。

1 原材料

本文使用的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料，樣品為棕色。當(dāng)樣品比例為主漆：固化劑=100∶20（w/w）時(shí)，無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的邵氏硬度（D 型）為 75，抗壓強(qiáng)度（壓縮應(yīng)變 20 %）為 42 MPa。

為了更好地研究該無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的物理性能，筆者在原樣品比例基礎(chǔ)上增加或者減少了一部分固化劑的用量?？疾鞂悠繁壤臑橹髌幔汗袒瘎?100∶15（w/w）和 100∶30（w/w）時(shí)，3 種不同比例的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的力學(xué)性能。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

熱失重分析使用德國(guó) Netzsch 公司產(chǎn)品 TG 209 F3 Tarsus?熱重分析儀測(cè)試；氮?dú)鈿夥?，測(cè)試的溫度范圍為室溫 -1 000 ℃，升溫速度 10 ℃/min。

抗壓強(qiáng)度使用日本 Shimadz 公司生產(chǎn)的 AG-IC 100 kN 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。

紅外光譜使用美國(guó) Thermo Fisher SCIENTIFIC 公司生產(chǎn)的 Nicolet 6 700 傅立葉變換紅外光譜儀測(cè)試，掃描范圍為 4 000～400cm-1，分辨率為 4 cm-1。采用 ATR 方式測(cè)試涂層的紅外光譜。

動(dòng)態(tài)力學(xué)性能使用德國(guó) Netzsch 公司生產(chǎn)的 DMA 242 C 型動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀測(cè)試；采用直徑 1 mm 的針入模式，頻率為 10 Hz，測(cè)試溫度范圍為室溫～120 ℃，升溫速度為 3 ℃/min。

3 結(jié)果與討論

3.1 涂料組分的熱失重分析

無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的性能，是由主漆和固化劑的成分，以及它們的配比和反應(yīng)程度等共同決定的。采用熱失重分析方法，來(lái)研究無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的主漆和固化劑的成分；熱失重分析的結(jié)果如圖 1（a）和圖 1（b）所示。

圖1 無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的主漆和固化劑的熱失重曲線(xiàn)

從圖 1（a）可以看出，無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的主漆的熱失重曲線(xiàn)，主要有 5 個(gè)失重峰：178 ℃ 和 268 ℃的熱失重主要對(duì)應(yīng)著稀釋劑成分，質(zhì)量損失總計(jì)約為10 %；418 ℃ 的熱失重對(duì)應(yīng)著環(huán)氧樹(shù)脂，質(zhì)量損失為21 %；598 ℃ 和 693 ℃ 的熱失重對(duì)應(yīng)著填料的分解。主漆中的稀釋劑的分解溫度較低，說(shuō)明稀釋劑成分的分子量較低，有可能不是活性稀釋劑，而是普通的稀釋劑。主漆在 598 ℃ 的熱分解失重，相當(dāng)于 26 % 的碳酸鈣分解；同時(shí)主漆的熱失重的殘重高達(dá) 55 %。這說(shuō)明，主漆中的填料成分非常高，而主漆中的環(huán)氧樹(shù)脂等有機(jī)成分的含量較低，僅占 22 %。

從圖 1（b）可以看出，無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的固化劑的熱失重曲線(xiàn)主要有 4 個(gè)失重峰：98 ℃ 的熱失重代表易揮發(fā)溶劑和少量的水分的揮發(fā)；其含量高達(dá) 50 %（經(jīng)氣相色譜分析，固化劑中的水分含量約占 5 %）；248 ℃、373 ℃ 和 453 ℃ 的熱失重則對(duì)應(yīng)著多種胺類(lèi)固化劑成分的分解。固化劑的熱失重曲線(xiàn)，說(shuō)明固化劑中的小分子溶劑成分過(guò)高；胺類(lèi)固化劑的比例不高。

3.2 力學(xué)性能

不同比例的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的邵氏硬度和抗壓強(qiáng)度，如表 1 所示。

表1 不同比例的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的力學(xué)性能

從表1可以看出，當(dāng)樣品比例為主漆∶固化劑=100∶20 （w/w）時(shí)，抗壓強(qiáng)度（壓縮應(yīng)變 20 %）接近 GB/T 22374－2018《地坪涂裝材料》的要求，抗壓強(qiáng)度（破壞）接近 JC/T 1015－2006《環(huán)氧樹(shù)脂地面涂層材料》的要求，抗 壓強(qiáng)度（屈服）略低于 HG/T 3829－2006《地坪涂料》的要求。這說(shuō)明該無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的硬度不是太硬，彈性較強(qiáng)；測(cè)試抗壓強(qiáng)度時(shí)，當(dāng)無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的壓縮應(yīng)變超過(guò) 20 % 才發(fā)生破壞。當(dāng)樣品比例為主漆∶固化劑=100∶15（w/w）時(shí)，無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的抗壓強(qiáng)度（破壞）超過(guò)了 80 MPa，此時(shí)無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的抗壓強(qiáng)度超過(guò)了國(guó)內(nèi)地坪涂料標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)還具有一定的彈性。但是當(dāng)樣品比例為主漆∶固化劑=100∶30（w/w）時(shí)，無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的力學(xué)性能非常低，該配比下不適于作為地坪涂料使用。

從表 1 還可以看出，當(dāng)固化劑的比例降低時(shí)，最終的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的力學(xué)性能上升，邵氏硬度（D 型）和抗壓強(qiáng)度都逐漸增強(qiáng)。即便是樣品比例為主漆∶固化劑=100∶15（w/w）時(shí)，無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料仍然有一定的彈性，抗壓強(qiáng)度破壞時(shí)的壓縮應(yīng)變?nèi)匀怀^(guò)了 20 %。這種特性使得該無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料，與常見(jiàn)的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料表現(xiàn)出了明顯的差別。

3.3 紅外分析

不同比例的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的紅外光譜的結(jié)果，如圖 2 所示。

圖 2 的紅外光譜是雙酚 A 類(lèi)的環(huán)氧地坪涂料的典型紅外光譜。紅外光譜圖中 1 729 cm-1處是 C=O 的特征峰，1 606 cm-1和 1 507cm-1處是苯環(huán)的特征吸收峰，1 245 cm-1處是芳醚的吸收峰，1 181 cm-1處是脂肪族叔胺C-N 吸收峰，1 033cm-1處是仲醇的 C-O 伸縮振動(dòng)吸收峰，825 cm-1處是環(huán)氧基的特征吸收峰。

圖2 不同比例的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的紅外光譜

不同比例的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的紅外光譜的紅外峰幾乎完全相同。從圖 2 還可以看出，樣品比例為主漆∶固化劑=100∶15（w/w）時(shí)，無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的在 825 cm-1處的環(huán)氧基的吸收峰比較強(qiáng)。當(dāng)固化劑的比例提高時(shí)，無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料在 825 cm-1處的環(huán)氧基的吸收峰明顯降低。這是因?yàn)楣袒瘎┰龆鄷r(shí)，主劑的環(huán)氧基反應(yīng)的更加完全，環(huán)氧基的剩余量減少。

3.4 動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析

不同比例的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析的結(jié)果，如圖 3 所示。

圖3 不同比例的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析曲線(xiàn)

從圖 3 可以看出，當(dāng)固化劑的比例提高時(shí)，無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的玻璃化溫度迅速降低，損耗因子也有大幅度的升高。這有兩個(gè)方面的原因：一方面由于固化劑的用量提高，無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的交聯(lián)程度降低，彈性也增強(qiáng)了；另一方面由于固化劑中的殘余溶劑增多，對(duì)固化后的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的增塑作用也變強(qiáng)了。

不同比例的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的玻璃化溫度和損耗因子 tanδ最大值的結(jié)果如表 2 所示。

表2 不同比例的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的玻璃化溫度和損耗因子 tan δ 最大值

從表 2 可以看出，當(dāng)樣品中的固化劑的比例從100∶15（w/w）提高到100∶20（w/w）時(shí)，無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的玻璃化溫度降低了 19.2 ℃。當(dāng)樣品中的固化劑的比例繼續(xù)提高到 100∶30（w/w）時(shí)，無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的玻璃化溫度又繼續(xù)降低了 8.2 ℃；此時(shí)無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的玻璃化溫度遠(yuǎn)低于 60 ℃，已經(jīng)不在無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的合理范圍內(nèi)。

分別以不同比例的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的玻璃化溫度和損耗因子 tanδ 最大值為橫、縱坐標(biāo)畫(huà)圖，如圖 4 所示。

圖4 不同比例的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的玻璃化溫度和損耗因子 tan δ 最大值的關(guān)系圖

從圖 4 可以看出，選用不同的樣品比例時(shí)，該樣品的玻璃化溫度和損耗因子 tanδ最大值之間接近線(xiàn)性變化關(guān)系。當(dāng)樣品比例為主漆∶固化劑=100∶15（w/w）時(shí)，無(wú)溶劑環(huán)氧地坪涂料的玻璃化溫度，最符合常規(guī)的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的玻璃化溫度。這與該樣品比例時(shí)，無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的力學(xué)性能最符合地坪涂料的標(biāo)準(zhǔn)是一致的。

不論是何種樣品比例，該無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的彈性損耗都非常低。該無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的損耗因子 tanδ最大值，明顯地低于常規(guī)的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的損耗因子 tanδ最大值。由于該彈性無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料使用的是彈性較好的環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑分子，主漆中的填料成分的比例加入的太高，換言之固化后的無(wú)溶劑環(huán)氧地坪涂料的樹(shù)脂成分或者說(shuō)有機(jī)成分的含量太低，所以損耗因子比較低。

3.5 熱失重分析

不同比例的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的熱失重分析的結(jié)果，如圖 5 所示。

圖5 不同比例的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的熱失重曲線(xiàn)

從圖 5 還可以看出，該無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料在200 ℃ 質(zhì)量損失較大，說(shuō)明固化后的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）含量較高。從圖 5 還可以看出，該無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的最大分解速率溫度在 410 ℃ 以下，無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料在 520 ℃ 時(shí)能夠完全分解。

為了更清晰的看出不同溫度時(shí)的熱失重速率，將無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的熱失重微分曲線(xiàn)繪于圖 6 中。

圖6 不同比例的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的熱失重微分曲線(xiàn)

從圖 6 可以更加明顯地看出，無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料在 200 ℃ 以下的質(zhì)量損失分為 2 個(gè)階段：第一個(gè)失重峰為 87 ℃，對(duì)應(yīng)著來(lái)自于固化劑中的殘余溶劑；第 2 個(gè)失重峰為 150 ℃，對(duì)應(yīng)著來(lái)源于主漆中的殘余溶劑。從圖 6 還可以看出，當(dāng)固化劑的比例增加時(shí)，無(wú)溶劑環(huán)氧地坪涂料的熱穩(wěn)定性下降，最大分解速率溫度下降了近 50 ℃。

不同比例的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的 200 ℃ 時(shí)的質(zhì)量損失和最大分解速率溫度的結(jié)果如表 3 所示。

表3 不同比例的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的 200 ℃ 時(shí)的質(zhì)量損失和最大分解速率溫度

從表 3 可以看出，當(dāng)固化劑的比例提高時(shí)，無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的 200 ℃ 質(zhì)量損失從 4.2 % 提高到 10.8 %，而最大分解速率溫度從 405 ℃ 降低到 351 ℃。這說(shuō)明高溶劑含量的固化劑的比例提高時(shí)，無(wú)溶劑環(huán)氧地坪涂料中的揮發(fā)性有機(jī)物含量增加；而且由于固化劑的過(guò)量，導(dǎo)致無(wú)溶劑環(huán)氧地坪涂料的交聯(lián)程度下降，耐熱性反而變的更差。

分別以不同比例的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的 200 ℃時(shí)的質(zhì)量損失和最大分解速率溫度為橫、縱坐標(biāo)畫(huà)圖，如圖 7 所示。

圖7 不同比例的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的 200 ℃ 時(shí)的質(zhì)量損失和最大分解速率溫度的關(guān)系圖

從圖 7 可以看出，該樣品的 200 ℃ 時(shí)的質(zhì)量損失率和最大分解速率溫度隨固化劑含量的變化而接近線(xiàn)性變化。當(dāng)樣品配比為主漆∶固化劑=100∶20（w/w）時(shí)，無(wú)溶劑環(huán)氧地坪涂料的 200 ℃ 時(shí)的質(zhì)量損失率，略高于常規(guī)的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的 200 ℃ 時(shí)的質(zhì)量損失率。當(dāng)更改樣品配比為主漆∶固化劑=100∶15（w/w）時(shí)，無(wú)溶劑環(huán)氧地坪涂料的 200 ℃ 時(shí)的質(zhì)量損失率更低、更合理，同時(shí)無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的力學(xué)性能有較大提高，能夠達(dá)到現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

從以上分析可知，該無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料對(duì)固化劑的用量比較敏感，混合時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確地稱(chēng)取固化劑的重量。該無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的固化劑中含有大量的小分子溶劑，為了更優(yōu)的使用性能和環(huán)保性能，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)降低固化劑中小分子溶劑的含量，或者更換為只含有少量溶劑的胺類(lèi)固化劑。通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使得該無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料具有更良好的性能，并能滿(mǎn)足需要使用彈性地坪涂料的特殊場(chǎng)合。

4 結(jié)論

本文研究了一種彈性無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料的成分，測(cè)試了其力學(xué)性能，研究了其紅外光譜、玻璃化溫度、損耗因子 tanδ最大值、熱失重參數(shù)等隨固化劑用量改變的變化情況，并與普通的無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料進(jìn)行了比較。根據(jù)現(xiàn)有的地坪涂料的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和要求，對(duì)該彈性無(wú)溶劑型環(huán)氧地坪涂料提出了一些要求和改進(jìn)意見(jiàn)。Q