樹(shù)脂對(duì)雙組份標(biāo)線涂料力學(xué)性能的影響研究*

鄒曉勇，邢苗苗，陳書(shū)霞，王俊彥，司晶晶，吳聞秀

（1金華市公路與運(yùn)輸管理中心，浙江金華 321000；2河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京 210098）

道路交通標(biāo)線作為管制和引導(dǎo)道路交通的生命線，對(duì)規(guī)范車輛和行人安全通行具有重要意義。國(guó)內(nèi)道路標(biāo)線種類主要有四種，即熱熔型道路標(biāo)線、溶劑型道路標(biāo)線、雙組份道路標(biāo)線和水性道路標(biāo)線［1］。其中，熱熔型道路標(biāo)線和溶劑型道路標(biāo)線的應(yīng)用較多，但二者因耐磨性差、環(huán)保效益不足、光度性能差、修復(fù)困難等缺陷，應(yīng)用效果較差［2］。水性標(biāo)線無(wú)毒且環(huán)保，但是對(duì)施工要求高，耐久性差，導(dǎo)致其推廣應(yīng)用受到限制。雙組份道路標(biāo)線是由兩種或兩種以上的組分組成，以一定比例混合均勻并通過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成的耐久性涂層，具備對(duì)玻璃珠粘結(jié)強(qiáng)、持續(xù)反光優(yōu)異且環(huán)保效益好等優(yōu)點(diǎn)，值得進(jìn)一步提升和推廣。

雙組份標(biāo)線涂料中的主要組成部分為樹(shù)脂，樹(shù)脂提供了涂料的力學(xué)性能。樹(shù)脂固化物存在脆性大、耐熱性差等缺點(diǎn)，使其沖擊性能較差，從而影響標(biāo)線的耐久性。樹(shù)脂的性能也受到環(huán)境的影響，導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)改變直至損壞變質(zhì)，即“老化”［3］。王卓等［4］將丙烯酸樹(shù)脂和顏料配比制備成遮熱鋪裝材料并進(jìn)行紫外老化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該遮熱鋪裝材料經(jīng)過(guò)紫外老化后粘附性、耐水性和抗凍性均較差。為改善雙組份標(biāo)線涂料中的丙烯酸樹(shù)脂在后期使用過(guò)程中因耐久性不足和老化產(chǎn)生的病害，唐永義［5］提出將樹(shù)脂分子結(jié)構(gòu)改性,或利用添加助劑的方法來(lái)提高涂料的耐候性和耐久性。何德良等［6］采用溶液共聚法，將反應(yīng)型紫外吸收劑分子等同丙烯酸脂類單體共聚，合成了紫外吸收型氟硅化丙烯酸樹(shù)脂。周友珍［7］使用有機(jī)紫外吸收劑通過(guò)共混法制備丙烯酸樹(shù)脂涂料，增強(qiáng)了丙烯酸樹(shù)脂的抗老化效果。李艷華等［8］調(diào)整丙烯酸樹(shù)脂單體組成，控制分子量大小，有效提高了用丙烯酸樹(shù)脂制作的路面標(biāo)線涂料耐久性。

本文研究樹(shù)脂含量對(duì)雙組份標(biāo)線力學(xué)性能的影響，得出能夠最有效提升雙組份標(biāo)線涂料力學(xué)性能的樹(shù)脂含量，來(lái)提升雙組份標(biāo)線的耐久性。通過(guò)對(duì)比分析不同樹(shù)脂含量的涂料附著性能、抗剪性能、耐磨性能和抗壓性能，明確樹(shù)脂含量對(duì)涂料力學(xué)性能的影響規(guī)律，確定涂料中樹(shù)脂的最佳用量。現(xiàn)場(chǎng)施工的樹(shù)脂含量通常在16%～22%，因此本文將樹(shù)脂含量限定在16%～22%。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

雙組份標(biāo)線涂料使用的樹(shù)脂是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）樹(shù)脂。PMMA樹(shù)脂主要作用是將涂料中的各組分粘結(jié)在一起，形成整體均勻的涂層或涂膜，同時(shí)對(duì)底材或底涂層發(fā)揮潤(rùn)濕、滲透等作用，并產(chǎn)生附著力。PMMA的性能指標(biāo)見(jiàn)表1。固化劑選用過(guò)氧化二苯甲酰（BPO）。顏料為金紅石型鈦白粉，填料為石英砂和重質(zhì)碳酸鈣。

表1 PMMA的性能指標(biāo)Table 1 The performance of PMMA

玻璃珠可以為標(biāo)線提供反光效果，具有透明度好、成圓率高、折射率高的特性。根據(jù)粒徑分布不同，路面標(biāo)線用玻璃珠可分為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)三個(gè)型號(hào)。本研究采用1號(hào)玻璃珠，其粒徑分布參照《路面標(biāo)線用玻璃珠》（GB/T 24722-2009）。

1.2 試樣制備

雙組份標(biāo)線涂料由A、B組分組成，按質(zhì)量比1：1進(jìn)行混合。將樹(shù)脂、鈦白粉、重質(zhì)碳酸鈣、石英砂混合，以1000 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌3～5 min。添加玻璃珠，繼續(xù)攪拌1min，獲得A組分。B組份為固化劑BPO。將B組分加入A組份，引發(fā)PMMA固化反應(yīng)，制得雙組份涂料。

1.3 分析與表征

1.3.1 附著性能

附著性能試驗(yàn)按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1720進(jìn)行［9］。預(yù)先對(duì)鋼板進(jìn)行打磨處理，并在其上分別涂抹標(biāo)線涂料。待其產(chǎn)生一定硬度后將拉拔頭黏附于其上方。采用附著力拉拔儀作用于拉拔頭，直至將拉拔頭從標(biāo)線上拉開(kāi)，記錄此時(shí)的力即附著力。

1.3.2 抗磨耗性能

耐磨耗性能試驗(yàn)按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1768-2006進(jìn)行［10］。試驗(yàn)采用半徑50mm的模具，試驗(yàn)前在模腔涂上一薄層甘油。待干后，配置1000g的雙組份涂料倒入模具內(nèi)，使其流平，并在涂料還未完全固結(jié)時(shí)在中心處開(kāi)一直徑約7mm的試孔。在室溫下用磨耗儀進(jìn)行耐磨濁試。通過(guò)濁試帶有荷載的橡膠砂輪循環(huán)后的質(zhì)量損失來(lái)表征涂層的耐磨性，砂輪循環(huán)200r，每50r記錄一次數(shù)據(jù)。磨耗前后的質(zhì)量損失目標(biāo)值為≤40mg。

1.3.3 抗剪性能

取制備好的雙組份標(biāo)線涂料均勻涂抹于剪切模具上，固化后采用剪切強(qiáng)度濁試儀濁試其剪切強(qiáng)度（圖1），目標(biāo)值為≥5MPa。

圖1 標(biāo)線抗剪性能試驗(yàn)Fig.1 Shear performance test of marking line

1.3.4 抗壓性能

將配制好的雙組份標(biāo)線涂料倒入預(yù)先準(zhǔn)備的20mm× 20mm×20mm模具中，每組試樣的數(shù)量不宜小于3塊。將固化后的試塊從模具中取出，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下放置24h后，分別放置在精度不低于0.5級(jí)的電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)球形支座的基板上,調(diào)整試塊位置及球形支座并加壓，濁得抗壓強(qiáng)度，目標(biāo)值為≥2MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 附著性能

通過(guò)拉拔強(qiáng)度分析涂料的附著性能，從圖2看出，雙組份涂料涂層附著性能隨著樹(shù)脂含量的增大而呈現(xiàn)整體增大趨勢(shì)。樹(shù)脂含量為16%時(shí)，雙組份涂料涂層的拉拔強(qiáng)度最小為2.13MPa，當(dāng)樹(shù)脂含量增加到為20%時(shí)涂料涂層的拉拔強(qiáng)度最大（3.86MPa），提高了81.2%。較高的拉拔強(qiáng)度表明標(biāo)線涂料涂層的附著性能較好，標(biāo)線不易產(chǎn)生脫落病害。然而，當(dāng)樹(shù)脂含量為22%時(shí)，拉拔強(qiáng)度下降至3.32MPa，下降了約14%，表明過(guò)高的樹(shù)脂含量對(duì)標(biāo)線涂料涂層的拉拔強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面效果，這可能是因?yàn)檫^(guò)高的樹(shù)脂含量導(dǎo)致標(biāo)線內(nèi)交聯(lián)密度較大，限制了分子的運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致拉拔強(qiáng)度下降［11］。因此，為獲得較高的附著性能，建議雙組份標(biāo)線涂料涂層中樹(shù)脂含量為20%。

圖2 不同PMMA樹(shù)脂含量對(duì)雙組份標(biāo)線涂料涂層附著性能的影響Fig.2 Influence of different PMMA resin content on adhesion performance of two-component marking paint

2.2 耐磨性能

通過(guò)磨耗試驗(yàn)研究不同樹(shù)脂含量的雙組份標(biāo)線涂料涂層的耐磨性能，結(jié)果如圖3所示，對(duì)比磨耗前后的試件發(fā)現(xiàn)，樹(shù)脂含量為16%和18%的雙組份標(biāo)線涂料涂層試件表面在磨耗試驗(yàn)后出現(xiàn)了較嚴(yán)重的涂料掉落現(xiàn)象，樹(shù)脂含量為20%和22%的試件表面在磨耗試驗(yàn)前后幾乎無(wú)變化?？梢?jiàn)，樹(shù)脂含量越高，雙組份標(biāo)線涂料的耐磨性能越好。

圖3 雙組份標(biāo)線涂料涂層磨耗試驗(yàn)Fig.3 Abrasion test of two-component marking paint

計(jì)算磨耗試驗(yàn)后的質(zhì)量損失，從圖4中定量分析標(biāo)線涂料涂層的耐磨性能發(fā)現(xiàn)，隨著樹(shù)脂含量的增加，涂層的質(zhì)量損失逐漸減小。當(dāng)樹(shù)脂含量為22%時(shí)，質(zhì)量損失值最小，為26.7mg，表明采用此比例可有效減輕標(biāo)線涂料涂層的磨耗破壞。樹(shù)脂含量為16%時(shí)，磨耗質(zhì)量損失最大，為61.2mg，超出標(biāo)準(zhǔn)要求的40mg。樹(shù)脂含量從16%增加到18%時(shí)，質(zhì)量損失值顯著下降，降低了48.9%。隨著樹(shù)脂含量的增加，標(biāo)線涂料涂層的耐磨性能逐漸變好，這可能是因?yàn)楦吆繕?shù)脂形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度較高，并且體系內(nèi)分子鏈段運(yùn)動(dòng)能力減弱，從而降低了質(zhì)量損失［11-12］。綜上分析，樹(shù)脂含量應(yīng)高于18%，才能達(dá)到雙組份標(biāo)線涂料對(duì)磨耗性能的要求。

圖4 不同PMMA樹(shù)脂含量對(duì)雙組份標(biāo)線涂料磨耗性能的影響Fig.4 Influence of different PMMA resin content on the abrasion performance of two-component marking paint

2.3 抗剪性能

從圖5可以看出，樹(shù)脂含量在16%～22%之間時(shí)，雙組份標(biāo)線涂料涂層的抗剪性能均滿足指標(biāo)要求（≥5MPa），且抗剪性能隨著樹(shù)脂含量的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng)樹(shù)脂含量為22%時(shí)，抗剪強(qiáng)度最大，為8.91MPa。從20%開(kāi)始標(biāo)線涂料涂層的抗剪性能顯著提高，樹(shù)脂含量為22%組較20%組增加了19.6%，20%組較18%組增加了17.1%。這說(shuō)明樹(shù)脂含量的增加對(duì)抗剪強(qiáng)度有顯著影響，這可能是因?yàn)镻MMA具有良好的界面粘結(jié)特性和韌性，可以有效增強(qiáng)雙組份標(biāo)線涂料涂層的抗剪性能［13］。

圖5 不同PMMA樹(shù)脂含量對(duì)雙組份標(biāo)線涂料涂層剪切性能的影響Fig.5 Influence of different PMMA resin content on the shear performance of two-component marking

2.4 抗壓性能

分別濁試了25℃和60℃下雙組份標(biāo)線涂料涂層的抗壓性能隨著樹(shù)脂含量的變化情況，結(jié)果如圖6所示，在25℃時(shí)，雙組份標(biāo)線涂料涂層的抗壓強(qiáng)度較高，均在35MPa以上，且標(biāo)線涂料涂層的抗壓強(qiáng)度隨著樹(shù)脂含量的增加，先升高后降低。當(dāng)樹(shù)脂含量為18%時(shí)抗壓強(qiáng)度最大，為43.5MPa。樹(shù)脂含量為22%時(shí)抗壓強(qiáng)度最小，為35MPa，較樹(shù)脂含量為18%的標(biāo)線涂料涂層抗壓強(qiáng)度下降了19.5%。60℃時(shí)，雙組份標(biāo)線涂料涂層的強(qiáng)度較25℃時(shí)降低，但均高于25MPa。當(dāng)樹(shù)脂含量為20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大，為28.6MPa，繼續(xù)增大樹(shù)脂含量則呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。上述結(jié)果表明，當(dāng)樹(shù)脂含量增加到一定程度時(shí)，樹(shù)脂本身的脆性會(huì)導(dǎo)致涂料整體的抗壓強(qiáng)度降低，進(jìn)而增加發(fā)生開(kāi)裂病害的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 不同PMMA樹(shù)脂含量對(duì)雙組份標(biāo)線涂料涂層抗壓性能的影響Fig.6 Influence of different PMMA resin content on the compressive performance of two-component marking

此外，通過(guò)60℃的抗壓強(qiáng)度濁試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，溫度的提高對(duì)雙組份標(biāo)線涂料涂層抗壓性能的影響不大。60℃時(shí)的抗壓強(qiáng)度均在25MPa以上，說(shuō)明雙組份標(biāo)線涂料具有優(yōu)異的耐高溫性能。

3 結(jié)論

本文研究了PMMA樹(shù)脂含量（16%～22%）對(duì)雙組份標(biāo)線涂料力學(xué)性能的影響。主要結(jié)論如下。

（1）高含量PMMA樹(shù)脂形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度較高，且界面粘結(jié)強(qiáng)度較高，因此隨著樹(shù)脂含量的增加，雙組份標(biāo)線涂料涂層的拉拔強(qiáng)度、耐磨性能和抗剪強(qiáng)度提高。

（2）當(dāng)樹(shù)脂含量增加到一定程度時(shí)，樹(shù)脂本身的脆性會(huì)導(dǎo)致涂料涂層的抗壓強(qiáng)度降低。

（3）PMMA樹(shù)脂含量為20%時(shí)，雙組份標(biāo)線涂料的力學(xué)性能最優(yōu)。