道路桥梁用水性防腐涂料的配方设计

2018-06-26 13:37:44 作者：赵春艳，王静，冀志江，曹延鑫，冯喆来源：《涂料工业》分享至：

涂料工业：

随着人们对混凝土桥梁使用寿命、外观要求的提高，混凝土涂装越来越受到重视。涂层技术是一种简便有效的防腐措施，一般通过刷涂、刮涂、辊涂、喷涂等方式在混凝土表面形成一层可阻止水和其他水溶性介质渗入混凝土的涂层，从而推迟腐蚀介质向混凝土内部渗透的时间，提高混凝土的耐久性。本研究从原材料的选择、配方设计、性能检测等方面，对道路桥梁用混凝土防腐蚀涂料进行了分析研究，筛选出性价比适宜的涂料配方体系，其实用性、功能性为客户提供了更好的经济效益。

1 配方设计

1.1 颜填料的选择

颜填料的种类有很多，不同的颜填料对涂料的耐候性、耐腐蚀性等影响较大，其中白色颜料以钛白粉性能最优，常见的其他填料有碳酸钙、高岭土、滑石粉、重晶石、云母粉、硅灰石等。作为道路桥梁用的水性防腐涂料，要求涂料本身具有一定的耐候性和抗紫外线能力。

一般来说，在耐酸碱要求的环境下，可采用沉淀BaSO4（即重晶石）等惰性材料；若需增加涂膜的耐化学药品性和机械性能，则应选择云母和滑石粉类的填料；对于有耐光和耐热要求的场合，可采用绢云母等填料。

1.2 乳液的选择

可采用的成膜基料有纯丙、硅丙、苯丙、氟碳、有机硅等乳液，根据合成的单体分析，纯丙、有机硅、氟碳乳液具有较好的抗紫外线性能，硅丙乳液的吸水率低。

1.3 配方的PVC值

涂料配方的设计中，颜料体积浓度（PVC）是涂料配方设计的一个重要指标，不同的PVC对涂膜的耐擦洗性、光泽、耐水性、耐候性有很大影响。

在低PVC 体系中，基料不仅完全包裹了所有的颜料与填料，而且多余的基料填满了所有的空隙。涂料的保护功能来自于形成的堵塞了毛细孔的类似塑料薄膜的涂层。此种涂料可以很好地降低对外界液态水的吸收。高PVC 体系中，乳液聚合物不能将颜料和填料粒子间的空隙完全填满，会保留一定量的空气，涂膜透气性上升，同时耐洗刷性有一定程度的下降。

综合以上因素，选用的基础配方如表1所示。

表1 基础配方

2 试验部分

2.1 原材料和仪器

钛白粉902：杜邦；有机硅树脂乳液：WACKER；绢云母GA-4：滁州格锐矿业；高岭土、硫酸钡、重钙：国产；苯丙乳液296DS：巴斯夫；硅丙乳液：北京东耕化工；纯丙乳液6018：北京科信；氟碳乳液：北京润博恒通；色差计：北京辰泰克仪器技术有限公司；光泽仪：日本柯尼卡美达；紫外可见分光光度计：（Lambda950）、鼓风干燥箱、恒温恒湿干燥箱、电子天平、漏斗状玻璃管：市售。

2.2 测试方法

依据GB/T1733-1993测试涂膜耐水性；依据JG/T210-2007测试涂膜抗泛碱性、抗盐析性、透水性；依据GB/T9265-1988测试涂膜耐碱性。按照ISO 9050-2003测定填料的紫外吸收性能。先将待测粉体用制样器压成粉饼状，在上面放置一片无色玻璃（以免粉体污染镜头），再将粉饼与玻璃一起放入仪器内准备测试，波长范围290～2 290 nm，将测得的反射率值乘以系数，以计算出反射率值。

按照GB/T 50082-2009中的氯离子迁移系数法测试氯离子渗透性。将直径和高度均为100 mm的混凝土试块上先涂刷底漆和面漆，干燥后从试件中部切取高度为50 mm 的圆柱体作为试验用样品。试验结束后，将样品轴向劈成两个半圆柱体，在试件断面上喷涂AgNO3溶液显色指示剂，根据观察到的颜色变化，测量显色分界线离试件底部的距离，测量值占试件高度的百分数为试件的氯离子渗透深度。

3 结果与讨论

3.1 颜填料物相分析

3.1.1 颜填料结构形态对比

钛白粉晶体呈棱形，单位晶格较小且排列紧密，所以具有较大的稳定性，较高的折射率。绢云母、高岭土均呈片状结构，重晶石呈规则的板状、柱状，滑石粉呈板状晶体结构，重钙粉为不规则的颗粒状，部分呈现板状。片状或层状结构的排列组成，平行于涂膜表面，降低了漆膜的水渗透性，有利于提高耐候性，所以在此配方设计中，选用钛白粉（提高遮盖力）作为颜料，高岭土、绢云母、重晶石作为填料。

3.1.2 颜填料紫外吸收能力的对比

一般认为填料的耐候性取决于其紫外线吸收性能，吸收紫外线的能力越强对涂膜的耐候性贡献越大。本研究对涂料中常用的颜填料的紫外线吸收性进行了测定，用计算出的反射率值和波长作图。结果如图1所示。

由图1可知，波长范围在290～400 nm之间时，有一个波谷值，对应的纵坐标为颜填料的反射率，反射率大约分别是：重钙80%、钛白粉15%、滑石粉80%、高岭土30%、绢云母20%，反射率越高，吸收紫外线能力越差，二者是互补的关系。即紫外线的吸收率是：重钙20%、钛白粉85%、滑石粉20%、高岭土70%、绢云母80%，硫酸钡对紫外线几乎没有吸收功能。

图1 颜填料的紫外吸收谱图

3.2 颜填料比例对涂料的影响

在配方中添加氟碳乳液（不添加有机硅），制得氟碳涂料，其中颜料选用钛白粉，填料选用重钙、重晶石、滑石粉、高岭土，调整不同的颜填料比例，对得到的白色氟碳涂膜进行户外曝晒，一个月后测试，结果如表2所示。

表2 颜填料比例对涂膜性能的影响

由表2可发现，当颜填料比例为1：9时，涂料性能最差，3：7时涂料的色差变化小，粉化程度轻微，颜填料比例在5:5时涂料的色差变化最小，粉化程度、沉降程度几乎无。所以，涂料配方设计中可选择m（颜料）：m（填料）=5：5，填料选用2～3种复配，性能最佳。

3.3 不同种类的乳液涂膜的性能

按照表1配方配制PVC为30%的涂料，分别选取纯丙、苯丙、硅丙、有机硅、氟碳乳液作为成膜物质，测试涂膜的吸水率、色差等。

3.3.1 不同种类乳液对吸水率的影响

实验选择2种硅丙乳液和2种有机硅乳液作为底漆的成膜物质，将配制的底漆涂覆于混凝土试块上，考察了底漆涂膜的吸水率随时间的变化规律，并以未涂底漆的混凝土试块作为空白样进行对比，结果如图2所示。

图2 不同种类底漆对吸水率的影响

由图2可知，与空白试样相比，涂覆了底漆的混凝土试块的吸水率都较低。其中，由硅丙乳液a制得的涂层吸水率最低，硅丙乳液b次之，有机硅乳液a、b制得的涂层吸水率相差不大，但高于硅丙乳液。涂覆4种底漆的混凝土试块浸泡2 4h后基本达到吸水饱和。

另外，实验还选择纯丙、苯丙、高硅、氟碳和有机硅5种乳液作为面漆的成膜物质，将配制的面漆涂覆于混凝土试块上，考察了面漆涂膜的吸水率随时间的变化规律，结果如图3所示。

图3 不同种类面漆对吸水率的影响

由图3可知，随着时间的延长，由氟碳和有机硅乳液复配制得的面漆涂膜吸水率最低，氟碳乳液面漆、有机硅乳液面漆涂膜吸水率也较低，二者差异不大，苯丙乳液面漆吸水率最高。原因分析：有机硅乳液是一种水性的硅烷硅氧烷乳液，当乳液涂刷在基材之后，发生水解反应转化成硅树脂，并产生憎水性。因有机硅乳液比硅丙乳液的价格要高很多，考虑到性价比的因素，硅丙乳液a作为底漆使用，有机硅乳液和氟碳乳液作为面漆使用，吸水率最低。

3.3.2 不同种类乳液对色差的影响

将涂刷了不同种类面漆的混凝土块放置到户外，选取试板上某一固定区域为测试点，每隔1个月测试1次，通过暴晒前后的数值计算色差的变化△E。本实验是在夏季6～8月份进行的，此段时间紫外线强度较高，雨水量充足，能较好地反映出外界环境对涂膜的破坏情况。

表3 耐候性试验后涂料的色差变化