水性環(huán)氧樹脂與納米SiO2 復(fù)合改性乳化瀝青防水涂料性能研究

王志成，楊勝文，曾明，周紫晨，張冰

（1.中冶武漢冶金建筑研究院有限公司，湖北 武漢 430000；2.中國一冶集團有限公司，湖北 武漢 430000）

近年來，關(guān)于減少溫室氣體、能源消耗和固體廢物管理的環(huán)境問題得到了廣泛關(guān)注。能源和環(huán)境因素促使路面施工行業(yè)轉(zhuǎn)向更環(huán)保的材料與技術(shù)，例如乳化瀝青和冷拌瀝青技術(shù)。乳化瀝青作為防水涂料具有顯著的優(yōu)點，包括施工速度快、對基層適應(yīng)性強、整體性好和成膜速度快等。但乳化瀝青防水涂料存在機械強度較低、高低溫性能差、粘結(jié)力較低、耐久性較短等缺點，在一定程度上制約了乳化瀝青的廣泛應(yīng)用。對于乳化瀝青的改性也一直是建筑防水涂料領(lǐng)域的熱點問題。一般來說，乳化瀝青的改性劑根據(jù)其化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能可分為3 類：彈性體、塑性體和具有反應(yīng)性基團的聚合物材料。目前常用的聚合物改性劑一般與瀝青結(jié)合料進行物理共混，沒有發(fā)生明顯的化學(xué)變化。此外，瀝青結(jié)合料與聚合物改性劑在分子質(zhì)量、密度、結(jié)構(gòu)等性能上也存在一定的差異。聚合物改性劑與瀝青結(jié)合料之間很難形成穩(wěn)定的熱力學(xué)體系，因此它們的相容性受到限制，在高溫下不連續(xù)攪拌就會導(dǎo)致分層和離析。因此，目前常用的幾種聚合物改性乳化瀝青在生產(chǎn)、儲存、經(jīng)濟性、性能等方面都存在不足。如SBS 改性瀝青結(jié)合料粘度大，乳化困難[1-2]；SBR 改性瀝青的高溫穩(wěn)定性不理想。因此，有必要尋找一種新的改性劑和改性方法來制備改性乳化瀝青。

水性添加劑是一種在水體系中的聚合物，通過表面活性劑使聚合物在水中穩(wěn)定，或通過附著親水性極性基團使聚合物自乳化。隨著水分蒸發(fā)，聚合物液滴逐漸聚結(jié)，引發(fā)自交聯(lián)反應(yīng)，然后形成相互連接的聚合物網(wǎng)絡(luò)。具有自交聯(lián)性的水性乳液是一類可以添加到乳化瀝青中以改善其性能的材料，包括水性環(huán)氧樹脂、水性聚氨酯、丙烯酸酯乳液等。其中，水性環(huán)氧樹脂能有效改善SBR 改性乳化瀝青的熱穩(wěn)定性和附著力等性能[3]，但低溫性能較差。納米SiO2已經(jīng)被證明可以有效改善乳化瀝青的低溫性能[4]，因此利用二者復(fù)合有望同時提高乳化瀝青防水涂料的高低溫性能。

本文利用水性環(huán)氧樹脂乳液和納米SiO2對乳化瀝青進行改性，并通過粘結(jié)強度、不透水性、儲存穩(wěn)定性、高低溫性能測試來研究對乳化瀝青性能的影響。主要目的是在評價水性環(huán)氧樹脂乳液和納米SiO2對乳化瀝青進行改性作用的基礎(chǔ)上，確定各成分的最佳摻量，通過各項性能測試分析復(fù)合改性對乳化瀝青防水涂料的改性效果。

1 實驗

1.1 實驗原料

基質(zhì)瀝青：SK-70，主要技術(shù)性能見表1；SBR：SBR-1502型；水性環(huán)氧樹脂乳液：武漢仕全興新材料公司生產(chǎn)，固含量為42%；納米SiO2：氣相SiO2，為硅化合物在高溫氫氧火焰中水解生成的納米級白色粉末，純度大于99.8%，比表面積200～250 m2/g，密度2.2 g/cm3；乳化劑：十八烷基胺聚氧乙烯醚雙季銨鹽；硅烷偶聯(lián)劑：乙烯基三乙氧基硅烷。

表1 基質(zhì)瀝青的主要技術(shù)性能

1.2 乳化瀝青防水涂料制備

首先將SK-70 基質(zhì)瀝青放在加熱套上以130 ℃加熱1 h左右至熔融狀態(tài)，然后加入適量SBR 改性劑和氣相SiO2，利用高速分散剪切機在130 ℃以4000 r/min 轉(zhuǎn)速攪拌1 h，得到混合物A。然后稱取一定量去離子水加熱到80 ℃，倒入適量十八烷基胺聚氧乙烯醚雙季銨鹽，攪拌均勻，得到乳化劑皂液。將80 ℃的皂液、混合物A 和水性環(huán)氧樹脂乳液倒入膠體磨，以4000 r/min 轉(zhuǎn)速高速剪切1 h，最后加入硅烷偶聯(lián)劑，以2000 r/min 轉(zhuǎn)速常溫攪拌1 h，制得復(fù)合改性乳化瀝青。

按照上述制備方法，保持其余成分含量不變，改變水性環(huán)氧樹脂和納米SiO2的摻量，分別設(shè)計了8 種試驗方案：2%、4%、6%、8%水性環(huán)氧樹脂（分別記為1#、2#、3#、4#），2%、4%、6%、8%水性環(huán)氧樹脂+4%SiO2（分別記為5#、6#、7#、8#）。水性環(huán)氧樹脂及納米SiO2摻量均按占基質(zhì)瀝青質(zhì)量計。

1.3 性能測試與表征

乳化瀝青的性能均按照JC/T 408—2005《水乳型瀝青防水涂料》和JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進行測試。采用烘箱進行耐熱度研究，采用乳化瀝青儲存穩(wěn)定性測試儀進行儲存穩(wěn)定性測試，采用NDJ-5S 旋轉(zhuǎn)粘度計測試黏度，采用SK-E20A 智能瀝青延度儀測試低溫延度，采用PosiTest AT-A 附著力測試儀測試粘結(jié)強度。

2 結(jié)果與討論

2.1 水性環(huán)氧樹脂和納米SiO2 對乳化瀝青常規(guī)性能的影響（見表2）

表2 乳化瀝青的常規(guī)性能

由表2 可見，8 組樣品均符合JC/T 408—2005 要求。值得注意的是，隨著環(huán)氧樹脂摻量的增加，干燥時間逐漸延長，說明由于極性親水性基團的存在，表面張力增大，水分揮發(fā)變慢。而納米SiO2的摻入會導(dǎo)致表干時間和實干時間縮短，說明納米SiO2提高了體系的疏水性，表面張力降低，水分揮發(fā)加快。

2.2 水性環(huán)氧樹脂和納米SiO2 對乳化瀝青黏度的影響（見圖1）

圖1 水性環(huán)氧樹脂和納米SiO2 對乳化瀝青黏度的影響

由圖1 可見，隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增加，常溫黏度逐漸減小，這是由于環(huán)氧基團與SBR、瀝青等成分進行交聯(lián)反應(yīng)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致黏度減小。而加入納米SiO2則會顯著增大黏度，這是由于納米SiO2與其他組分之間的化學(xué)鍵合作用，使得納米SiO2均勻分散于涂料中，并且納米SiO2本身具有很大的表面能，吸附在瀝青表面使得體系運動變慢，表現(xiàn)為黏度增大。

2.3 水性環(huán)氧樹脂和納米SiO2 對乳化瀝青粘結(jié)強度的影響

按照JC/T 408—2005 采用刮涂方式將8 組樣品分別刮涂在水泥加壓板上，按要求養(yǎng)護后測試粘結(jié)強度，結(jié)果見圖2。

圖2 水性環(huán)氧樹脂和納米SiO2 對乳化瀝青粘結(jié)強度的影響

由圖2 可見，粘結(jié)強度隨著水性環(huán)氧樹脂和納米SiO2摻量的增加而提高，這表明二者對于乳化瀝青防水涂料的粘結(jié)性能都具有積極的增強效果。這是由于氣相SiO2粉末體積密度極低，比表面積大，量子尺寸效應(yīng)和三維結(jié)構(gòu)可以使其在作為填料時增加粘附性，并且硅烷偶聯(lián)劑的加入使得納米SiO2表面包覆有機層，更好地實現(xiàn)與SBR 和瀝青的相容。水性環(huán)氧樹脂則具有粘結(jié)力強的優(yōu)點，已經(jīng)被證明可以有效提高乳化瀝青的粘結(jié)力。

2.4 水性環(huán)氧樹脂和納米SiO2 對乳化瀝青高溫性能的影響

普通SBR 改性的乳化瀝青高溫性能較差，按照JC/T 408—2005 將8 組試樣涂料刮涂在鋁板上進行養(yǎng)護，然后放入烘箱，在不同設(shè)定溫度下放置5 h 后觀察表面不應(yīng)產(chǎn)生流淌、滑動和滴落現(xiàn)象。耐高溫測試結(jié)果見圖3。

圖3 水性環(huán)氧樹脂和納米SiO2 對乳化瀝青高溫性能的影響

由圖3 可見，隨著水性環(huán)氧樹脂和納米SiO2摻入，耐高溫性能有了顯著的提升，并且耐熱度隨著水性環(huán)氧樹脂和納米SiO2摻量的增加而升高。

2.5 水性環(huán)氧樹脂和納米SiO2 對乳化瀝青低溫性能的影響

按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》對乳化瀝青樣品的低溫性能進行了研究，測試了8 組樣品在5 ℃的延度，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 水性環(huán)氧樹脂和納米SiO2 對乳化瀝青低溫性能的影響

由圖4 可見，乳化瀝青的延度隨水性環(huán)氧樹脂摻量的增加而減小，說明水性環(huán)氧樹脂對乳化瀝青低溫性能有負面影響，并且摻量越大，低溫性能越差。這是由于環(huán)氧樹脂在體系中形成三維交聯(lián)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，增加了瀝青的剛性，從而使得低溫抗裂性能下降。而在加入4%納米SiO2后，低溫延度較單摻水性環(huán)氧樹脂時有了明顯的提高，說明納米SiO2的加入可以改善乳化瀝青的低溫性能。這是由于：一方面，納米SiO2本身可以提高瀝青的低溫抗裂性能；另一方面，納米SiO2與環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基團反應(yīng)，促進了納米SiO2在體系中的均勻分散，從而提高了體系穩(wěn)定性。同時，納米SiO2顆粒分布在高分子鏈的空隙中，具有很高的流動性，使得體系的韌性和延展性得到大幅提高。

3 結(jié)論

（1）水性環(huán)氧樹脂和納米SiO2復(fù)合改性可以有效提高乳化瀝青防水涂料的粘結(jié)強度、耐高溫性能。

（2）水性環(huán)氧樹脂對乳化瀝青低溫性能有負面影響，并且摻量越大，低溫性能越差。而進一步加入納米SiO2可以有效提高低溫性能，說明二者復(fù)合改性可以得到高低溫性能都非常優(yōu)異的乳化瀝青防水涂料。