水性环氧在地坪涂料中的应用

   日期:2022-01-07     浏览:226    
核心提示:1 水性环氧简介1.1 水性环氧的分类随着对环境保护和人体健康要求的日益严格,不含挥发性有机化合物(VOC),或低VOC,或不含有害空
1 水性环氧简介
1.1 水性环氧的分类
随着对环境保护和人体健康要求的日益严格,不含挥发性有机化合物(VOC),或低VOC,或不含有害空气污染物(HAP)的新型环保材料已经成为建材领域新的发展方向,而水性环氧就是这种新型材料中的一个代表。国外从20 世纪70 年代起开始研发水性环氧涂料,目前水性环氧的性能已可达到与溶剂型环氧涂料相当的水平[1]。
在涂料领域使用的室温固化水性环氧树脂涂料体系一般分为4 类:(1)Ⅰ型水性环氧树脂体系,由低相对分子质量的液体环氧树脂(环氧物质的量在190 左右)和水性环氧固化剂组成,这类体系中的环氧树脂一般预先不进行乳化,而由水性环氧固化剂在使用前混合乳化,因而这类固化剂必须既是交联剂又是乳化剂,它能够很好地分散或溶解在水中,从而对低相对分子质量的液体环氧树脂具有良好的乳化作用,可配成零VOC 涂料,涂膜硬度增长较快;(2)Ⅱ型水性环氧树脂体系,由高相对分子质量的固体环氧树脂分散体和水性环氧固化剂组成,由于高相对分子质量环氧树脂的反应活性较低相对分子质量环氧树脂小,因此Ⅱ型水性环氧树脂体系的适用期较Ⅰ型长、表干时间较Ⅰ型短;(3)Ⅲ型水性环氧树脂体系,由低相对分子质量的液体环氧树脂乳液和水性环氧固化剂组成,新型反应性环氧树脂乳化剂既含有表面活性作用的链段(亲水链段)、又含有环氧树脂链段(亲油链段),大大改善了乳化剂与环氧树脂的相容性,可配制分散相平均粒径约为1~2 μm 的低相对分子质量液体环氧树脂乳液,同时对涂膜有一定的增韧作用;(4)Ⅳ型水性环氧树脂体系,由水性环氧树脂乳液和聚氨酯改性环氧固化剂组成,用适量的聚氨酯改性环氧树脂制得综合性能良好的聚氨酯改性环氧固化剂,用它来固化水性环氧树脂乳液以改善水性环氧树脂涂料的性能。图1 是I 型和II 型两种不同类型水性环氧体系示意图。

1.2 水性环氧的固化成膜过程
水性环氧树脂涂料的固化过程是一个反应和扩散控制过程,整个过程包括水蒸发、粒子聚结、固化剂扩散和固化交联反应,如图2 所示。首先,当涂层施工完毕后,体系中水分开始不断蒸发,乳胶粒子相互靠近形成紧密堆积,粒子聚结过程开始;然后,乳液液滴变成一个六边形,当密排堆积或六面体状态形成后固化剂分子渗透进乳液,开始和环氧树脂反应;后,随着水分的进一步蒸发,乳胶粒子和固化剂完全反应,整个体系形成均相、完整的涂膜。涂膜固化过程中,只有聚结、扩散和环氧树脂与固化剂之间的反应协调得好,才可能得到良好的涂膜性能,特别是当固化剂和环氧部分固化后,乳液粒子外表面会形成一层坚硬的壳,阻碍剩余固化剂的进一步渗入和反应,这时就要调节合适的固化剂扩散速率和体系固化速率。

1.3 水性环氧在地坪涂料中的使用优势
与无溶剂型地坪相比较,水性环氧地坪主要有以下几方面的优势。
(1) 无溶剂环氧涂料由于不加稀释剂(或只添加少量活性稀释剂),其自身黏度比较大,所以其内部填料不能使用过多,填料分散性不均匀,这样会导致涂料中填料和树脂分层,影响涂层整体的抗冲击性,这对于无溶剂环氧地坪的性能影响非常大;而水性环氧涂料可以使用水稀释,达到较小的黏度,所以其内部填料使用量基本不受限制,这样做出的涂层内部填料分散均一稳定,不会出现分层的现象,抗冲击能力较强,密实度甚至可以达到与瓷砖等同的效果。在相同条件下对无溶剂环氧地坪和水性环氧地坪抗进行抗冲击试验,结果如图3 所示。

可以看出水性环氧地坪由于具有密实的内部结构,其抗冲击能力远大于无溶剂环氧地坪,尤其是反冲效果对比,无溶剂环氧地坪已经破碎,而水性环氧地坪没有任何破碎痕迹。水性环氧这种优势如果应用在环氧防静电地坪涂料中就会产生很好的防静电效果:当导电炭黑和铜粉等导电填料在整个涂层中得到均匀分散,整个地坪涂层从里到外就会有较为均一的导电性和较高的导电率,可以防止静电电荷的积累,同时由于在水性环氧地坪中,环氧树脂和固化剂的使用量可以达到较低的水平,因此使得整个地坪的成本也较低,达到经济性和使用性能的平衡。
(2)水性环氧地坪能形成一种透气不透水的结构[2],因此可以用于地下潮气比较重的地方。水性环氧地坪涂料由于固化的特殊性使得干燥后的涂膜具有微孔隙结构,可允许水汽渗透,这样释放了混凝土内部水汽的压力,而外部的吸附水无法进入,这样使得涂层免于破坏,同时保护了混凝土。而传统的溶剂型涂料漆膜非常致密,透气性极差,极易造成混凝土内部水汽无法除去,产生鼓泡、变形、空鼓甚至剥离等涂膜缺陷。
(3)水性环氧地坪使用范围广,装饰性强,表面光滑平整,有半光、亚光及多种颜色可供选择。目前水性环氧可以做成厚涂型环氧自流平地坪、薄涂型环氧自流平、环氧彩砂自流平地坪、环氧砂浆等。由于水性环氧对旧涂层也有很好的粘接力,所以可以用来作为混凝土修补材料;同时水性环氧具有较好的电气绝缘性,可以用来作为导静电地坪;水性环氧有较好的耐磨性和耐水性,可以用来作为地面装饰性地坪使用。图4 是几种水性环氧地坪比较新颖的用途。

2 水性环氧地坪的配方研究
目前在水性环氧地坪领域应用比较多的是Ⅰ型水性环氧树脂体系,Ⅰ型水性环氧树脂体系直接以低相对分子质量液体环氧树脂为A 组分,以改性胺或酰胺类固化剂为B 组分。该种类型的水性环氧地坪价格相对便宜,配方调整丰富,可制备多种类型和功能的水性地坪。以下就采用Ⅰ型水性环氧树脂制备水性环氧地坪配方研究中,应注意的问题进行了归类和分析。
2.1 环氧树脂类型和水性固化剂的选择
该类型水性环氧体系中树脂一般选用低相对分子质量的(环氧物质的量EEW=175~195)双酚A 型环氧树脂。双酚A 型环氧树脂分子中含有极性高而不易水解的羟基和醚键,使其对混凝土等多种基材有良好的附着力;其涂料固化时的体积收缩率低,耐化学性好;并且双酚A 型环氧树脂为刚性的苯环和柔性的醚键交替排布的结构,赋予地坪涂料较好的机械性能;并且该类型环氧树脂有很好的反应活性。有时为了减少双酚A 型环氧树脂在低温下的结晶性,也可以混入液体双酚F 型环氧树脂。当黏度太大或交联密度太高时也可加入活性稀释剂(不超过环氧使用量的20%),可以增加涂层的柔韧性,提高耐冲击性。对于Ⅰ型水性环氧体系,水性固化剂和环氧树脂的相容性至关重要,可以通过对胺类固化剂进行改性获得良好的效果。水性环氧固化剂乳化环氧树脂的原理是对多元胺进行改性,使其成为具有亲环氧树脂结构的水性环氧固化剂,同时该固化剂又可作为阳离子型或非离子型乳化剂完成对环氧树脂的乳化。用该方法制备的水性环氧树脂乳液具有良好的稳定性,并且由于环氧树脂组分不需进行亲水改性,可以保证涂膜的耐化学药品性能良好。目前在I 型水性环氧体系中使用较多的有改性脂肪胺类或酰胺类水性固化剂,该类固化剂既能与环氧树脂有较好的相容性,又能保证适当的反应活性和乳化性能。其中脂肪胺类固化剂较酰胺类固化剂反应活性大,适用期较短,但酰胺类固化剂涂膜柔韧性较差,抗冲性能较差,因此将二者按比例进行混合可达到较合适的适用期,是一种比较好的方法。目前国外多采用多元胺—环氧加成物作为该类型体系固化剂,这种固化剂克服了脂肪胺和酰胺固化剂的缺点,有比较好的使用效果和发展前景。
2.2 助溶剂的选择
由于水性环氧的固化是分步进行的,使固化剂能达到合适的扩散速率至关重要。在体系中,随着固化反应的进行,环氧树脂分散相的相对分子质量和玻璃化温度逐渐提高,环氧树脂分散相粒子逐渐变硬,粒子之间也很难相互作用而凝结成膜,这使得固化剂分子向环氧树脂分散相粒子内部的扩散速度逐渐变慢。这时为了软化粒子表面硬度,提高固化剂扩散速率,降低低成膜温度,需要加入助溶剂来进行调节。助溶剂通常是挥发很慢的溶剂,如各类醇醚、醇醚醋酸酯和醇酯等,特别是那些对环境污染小、安全性高的助溶剂(如丙二醇甲醚等),加入后有利于固化凝结成膜。同时助溶剂还能调节涂料体系的黏度,延长涂膜“开放”时间,改善水性环氧地坪涂料的流平性和终涂膜的外观。实验发现在水性环氧体系中加入助溶剂还可以实现辅助消泡。通常良好的助溶剂需满足以下条件:良好的水解稳定性;低的凝固点;适中的挥发率;高效的凝结效率[3]。一般情况下,在环氧树脂中加入5%左右的助溶剂能得到比较好的效果,如果需要在温度较低的条件下施工并保证良好的成膜效果和防护性,助溶剂的加入量可适当增加。
2.3 颜填料的选择
在地坪涂料中,一般选择耐化学品性能良好、耐磨、硬度高、吸油量低的颜填料,如石英粉、硫酸钡等。水性环氧固化剂呈弱碱性,应避免采用酸性的颜填料。颜填料的合理加入不仅能降低生产成本,而且对地坪涂料各种特殊性能的改善也起着极为重要的作用。这其中石英粉的级配尤其重要:对于自流平中间层,可以提高级配中粗粉比例,增加厚度,降低黏度;对于面层或耐磨性要求高的地坪,需要将细粉比例提高,增加表层密实度和耐磨性。另外,加入适量的滑石粉,不但可以降低漆膜开裂的可能性,而且可以增强漆料的贮存稳定性,但对光泽度有影响。水性环氧黏度调节余地大,因此不同用途的地坪涂料中,填料的使用量差异比较大。实验中,对于环氧砂浆层自流平,填料量可以达到基料量的5~7 倍,仍能达到良好的流平性;对于薄涂型面漆,填料量为基料量的1 倍左右,不影响面层的光泽和平整度。由于固化剂组分黏度相对较低,填料一般添加在固化剂中进行分散研磨。
2.4 助剂的选择
在水性环氧地坪中,因为水的表面张力较高,对颜填料和底材的润湿性较差,特别是有油脂残余的表面更难以润湿。为避免浮色和发花现象的产生,需要加入润湿分散剂来提高其润湿性,防止颜填料的絮凝。试验中一般选用油水两用型的润湿分散剂, 这类产品有BYK-190 、EFKA-6220 等。有时为了提高对基材的润湿性和附着力,也可以加入基材润湿剂。增稠流平剂的主要作用是调整体系的流变性能,改善涂料的流平性,使漆膜具有较好的丰满度等,流平剂应具备以下性能:(1)用量低而流平性好;(2)贮存稳定性好;(3)对涂料性能无副作用,但能改进施工性能,通过流平剂可控制颜填料絮凝沉淀和贝纳尔德旋涡,改善涂料的光泽和流平性[4]。试验中选用该类型的增稠流平剂有RM-2020、RM-8W 等,效果比较好。另外在体系黏度较大时,为了不增加黏度,也可以选用丙烯酸类流平剂,这类产品有BYK-380N、BYK-381 等。在水性环氧地坪涂料中,由于含有润湿剂和乳化剂等表面活性类物质,再加上施工中不可避免的搅拌会带入空气,所以气泡比较严重。由于水性环氧一般体系黏度较大,消泡比较困难,因此要选择高效有机硅类消泡剂,并要加入抑泡剂配合使用。通常在分散前加入抑泡剂和部分消泡剂,分散后再加入剩余的消泡剂。这类消泡剂需选择有几类,比如TEGO 901W、BYK 024、BYK 094 等。
2.5 环氧基与胺氢物质的量比
研究发现,环氧树脂和水性环氧固化剂的使用比例(用环氧基与胺氢物质的量比来表示)对水性环氧地坪涂料的性能有很大的影响[5],水性环氧地坪涂料的性能可通过调节物质的量比来改变,环氧基与胺氢物质的量比对水性环氧地坪涂料性能的影响见表1。
表1 环氧基与胺氢物质的量比对水性环氧地坪涂料性能的影响

具体的物质的量比因应用场合不同而异,为提高涂膜的耐水性、耐湿性等性能并延长适用期,可以使环氧基过量;要求加快涂膜的固化,提高涂膜的光泽度、附着力、耐磨性,改善耐溶剂性,可以使胺氢过量。试验中一般视情况的不同,将胺氢/环氧基物质的量比定为0.8~1.2,特别是在加入活性稀释剂和加入助溶剂后,固化剂渗透效果更好,固化剂的用量也要相应提高。

3 结语
(1) 本文对水性环氧在地坪涂料中的发展进行了介绍。水性环氧在地坪涂料中的使用具有很多优势,比如黏度可调、填料分散均匀;可直接在潮湿地面上使用,不易形成鼓泡;使用范围广、装饰性能强,可做成多种类型地坪产品。
(2) 基于水性环氧地坪的配方研究,介绍了水性环氧地坪各组分材料的选择和使用对性能的影响。
 









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