彈性無溶劑型環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.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013；2.北京化工大學，北京 100029）

0 引言

無溶劑型環氧地坪涂料具有優良的耐磨、耐介質性能，能夠起到保護建筑地面的作用。有些場合下，工程希望使用具有彈性的無溶劑型地坪涂料，這要求材料應當具有一定的拉伸強度、斷裂伸長率和柔韌性。無溶劑型聚氨酯地坪涂料具有優良的附著力，同時還具有優異的耐磨性和彈性，很適合作為彈性地坪涂料使用［1］。

由于環氧樹脂的柔韌性不如聚氨酯材料，要想提高環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］，或者在環氧樹脂結構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。當無溶劑型環氧地坪涂料中的活性稀釋劑的加入比例達到3.0 %～6.0 % 時，無溶劑型環氧地坪涂料的邵氏硬度（D型）可以達到 80 左右，抗壓強度可以達到 80 MPa［3］。若無溶劑型環氧地坪涂料的活性稀釋劑，如縮水甘油醚的含量高達 20 %～25 % 時，稀釋劑的增塑作用明顯，無溶劑型環氧地坪涂料的抗壓強度則能降低到 20 MPa左右［4］。廈門固克涂料集團有限公司使用拉伸伸長率來反映無溶劑型環氧地坪涂料的柔韌性，不同的采用環氧大豆油作為活性稀釋劑的無溶劑型環氧地坪涂料，其伸長率可以從 11 % 調節到 20 %［5］。

本文研究了一款彈性無溶劑型環氧地坪涂料的主漆和固化劑的成分，通過研究不同比例的無溶劑型環氧地坪涂料的力學性能、紅外分析、動態熱機械分析和熱失重分析等，比較了彈性無溶劑型環氧地坪涂料的特點，并給出了配方的調整意見。

1 原材料

本文使用的無溶劑型環氧地坪涂料，樣品為棕色。當樣品比例為主漆：固化劑=100∶20（w/w）時，無溶劑型環氧地坪涂料的邵氏硬度（D 型）為 75，抗壓強度（壓縮應變 20 %）為 42 MPa。

為了更好地研究該無溶劑型環氧地坪涂料的物理性能，筆者在原樣品比例基礎上增加或者減少了一部分固化劑的用量。考察將樣品比例更改為主漆：固化劑=100∶15（w/w）和 100∶30（w/w）時，3 種不同比例的無溶劑型環氧地坪涂料的力學性能。

2 實驗設備

熱失重分析使用德國 Netzsch 公司產品 TG 209 F3 Tarsus?熱重分析儀測試；氮氣氣氛，測試的溫度范圍為室溫 -1 000 ℃，升溫速度 10 ℃/min。

抗壓強度使用日本 Shimadz 公司生產的 AG-IC 100 kN 萬能材料試驗機。

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

動態力學性能使用德國 Netzsch 公司生產的 DMA 242 C 型動態力學分析儀測試；采用直徑 1 mm 的針入模式，頻率為 10 Hz，測試溫度范圍為室溫～120 ℃，升溫速度為 3 ℃/min。

3 結果與討論

3.1 涂料組分的熱失重分析

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

圖1 無溶劑型環氧地坪涂料的主漆和固化劑的熱失重曲線

從圖 1（a）可以看出，無溶劑型環氧地坪涂料的主漆的熱失重曲線，主要有 5 個失重峰：178 ℃ 和 268 ℃的熱失重主要對應著稀釋劑成分，質量損失總計約為10 %；418 ℃ 的熱失重對應著環氧樹脂，質量損失為21 %；598 ℃ 和 693 ℃ 的熱失重對應著填料的分解。主漆中的稀釋劑的分解溫度較低，說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，相當于 26 % 的碳酸鈣分解；同時主漆的熱失重的殘重高達 55 %。這說明，主漆中的填料成分非常高，而主漆中的環氧樹脂等有機成分的含量較低，僅占 22 %。

從圖 1（b）可以看出，無溶劑型環氧地坪涂料的固化劑的熱失重曲線主要有 4 個失重峰：98 ℃ 的熱失重代表易揮發溶劑和少量的水分的揮發；其含量高達 50 %（經氣相色譜分析，固化劑中的水分含量約占 5 %）；248 ℃、373 ℃ 和 453 ℃ 的熱失重則對應著多種胺類固化劑成分的分解。固化劑的熱失重曲線，說明固化劑中的小分子溶劑成分過高；胺類固化劑的比例不高。

3.2 力學性能

不同比例的無溶劑型環氧地坪涂料的邵氏硬度和抗壓強度，如表 1 所示。

表1 不同比例的無溶劑型環氧地坪涂料的力學性能

從表1可以看出，當樣品比例為主漆∶固化劑=100∶20 （w/w）時，抗壓強度（壓縮應變 20 %）接近 GB/T 22374－2018《地坪涂裝材料》的要求，抗壓強度（破壞）接近 JC/T 1015－2006《環氧樹脂地面涂層材料》的要求，抗 壓強度（屈服）略低于 HG/T 3829－2006《地坪涂料》的要求。這說明該無溶劑型環氧地坪涂料的硬度不是太硬，彈性較強；測試抗壓強度時，當無溶劑型環氧地坪涂料的壓縮應變超過 20 % 才發生破壞。當樣品比例為主漆∶固化劑=100∶15（w/w）時，無溶劑型環氧地坪涂料的抗壓強度（破壞）超過了 80 MPa，此時無溶劑型環氧地坪涂料的抗壓強度超過了國內地坪涂料標準的要求，同時還具有一定的彈性。但是當樣品比例為主漆∶固化劑=100∶30（w/w）時，無溶劑型環氧地坪涂料的力學性能非常低，該配比下不適于作為地坪涂料使用。

從表 1 還可以看出，當固化劑的比例降低時，最終的無溶劑型環氧地坪涂料的力學性能上升，邵氏硬度（D 型）和抗壓強度都逐漸增強。即便是樣品比例為主漆∶固化劑=100∶15（w/w）時，無溶劑型環氧地坪涂料仍然有一定的彈性，抗壓強度破壞時的壓縮應變仍然超過了 20 %。這種特性使得該無溶劑型環氧地坪涂料，與常見的無溶劑型環氧地坪涂料表現出了明顯的差別。

3.3 紅外分析

不同比例的無溶劑型環氧地坪涂料的紅外光譜的結果，如圖 2 所示。

圖 2 的紅外光譜是雙酚 A 類的環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 伸縮振動吸收峰，825 cm-1處是環氧基的特征吸收峰。

圖2 不同比例的無溶劑型環氧地坪涂料的紅外光譜

不同比例的無溶劑型環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，無溶劑型環氧地坪涂料的在 825 cm-1處的環氧基的吸收峰比較強。當固化劑的比例提高時，無溶劑型環氧地坪涂料在 825 cm-1處的環氧基的吸收峰明顯降低。這是因為固化劑增多時，主劑的環氧基反應的更加完全，環氧基的剩余量減少。

3.4 動態熱機械分析

不同比例的無溶劑型環氧地坪涂料的動態熱機械分析的結果，如圖 3 所示。

圖3 不同比例的無溶劑型環氧地坪涂料的動態熱機械分析曲線

從圖 3 可以看出，當固化劑的比例提高時，無溶劑型環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。這有兩個方面的原因：一方面由于固化劑的用量提高，無溶劑型環氧地坪涂料的交聯程度降低，彈性也增強了；另一方面由于固化劑中的殘余溶劑增多，對固化后的無溶劑型環氧地坪涂料的增塑作用也變強了。

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

表2 不同比例的無溶劑型環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，當樣品中的固化劑的比例從100∶15（w/w）提高到100∶20（w/w）時，無溶劑型環氧地坪涂料的玻璃化溫度降低了 19.2 ℃。當樣品中的固化劑的比例繼續提高到 100∶30（w/w）時，無溶劑型環氧地坪涂料的玻璃化溫度又繼續降低了 8.2 ℃；此時無溶劑型環氧地坪涂料的玻璃化溫度遠低于 60 ℃，已經不在無溶劑型環氧地坪涂料的合理范圍內。

分別以不同比例的無溶劑型環氧地坪涂料的玻璃化溫度和損耗因子 tanδ 最大值為橫、縱坐標畫圖，如圖 4 所示。

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

從圖 4 可以看出，選用不同的樣品比例時，該樣品的玻璃化溫度和損耗因子 tanδ最大值之間接近線性變化關系。當樣品比例為主漆∶固化劑=100∶15（w/w）時，無溶劑環氧地坪涂料的玻璃化溫度，最符合常規的無溶劑型環氧地坪涂料的玻璃化溫度。這與該樣品比例時，無溶劑型環氧地坪涂料的力學性能最符合地坪涂料的標準是一致的。

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

3.5 熱失重分析

不同比例的無溶劑型環氧地坪涂料的熱失重分析的結果，如圖 5 所示。

圖5 不同比例的無溶劑型環氧地坪涂料的熱失重曲線

從圖 5 還可以看出，該無溶劑型環氧地坪涂料在200 ℃ 質量損失較大，說明固化后的無溶劑型環氧地坪涂料的揮發性有機物（VOC）含量較高。從圖 5 還可以看出，該無溶劑型環氧地坪涂料的最大分解速率溫度在 410 ℃ 以下，無溶劑型環氧地坪涂料在 520 ℃ 時能夠完全分解。

為了更清晰的看出不同溫度時的熱失重速率，將無溶劑型環氧地坪涂料的熱失重微分曲線繪于圖 6 中。

圖6 不同比例的無溶劑型環氧地坪涂料的熱失重微分曲線

從圖 6 可以更加明顯地看出，無溶劑型環氧地坪涂料在 200 ℃ 以下的質量損失分為 2 個階段：第一個失重峰為 87 ℃，對應著來自于固化劑中的殘余溶劑；第 2 個失重峰為 150 ℃，對應著來源于主漆中的殘余溶劑。從圖 6 還可以看出，當固化劑的比例增加時，無溶劑環氧地坪涂料的熱穩定性下降，最大分解速率溫度下降了近 50 ℃。

不同比例的無溶劑型環氧地坪涂料的 200 ℃ 時的質量損失和最大分解速率溫度的結果如表 3 所示。

表3 不同比例的無溶劑型環氧地坪涂料的 200 ℃ 時的質量損失和最大分解速率溫度

從表 3 可以看出，當固化劑的比例提高時，無溶劑型環氧地坪涂料的 200 ℃ 質量損失從 4.2 % 提高到 10.8 %，而最大分解速率溫度從 405 ℃ 降低到 351 ℃。這說明高溶劑含量的固化劑的比例提高時，無溶劑環氧地坪涂料中的揮發性有機物含量增加；而且由于固化劑的過量，導致無溶劑環氧地坪涂料的交聯程度下降，耐熱性反而變的更差。

分別以不同比例的無溶劑型環氧地坪涂料的 200 ℃時的質量損失和最大分解速率溫度為橫、縱坐標畫圖，如圖 7 所示。

圖7 不同比例的無溶劑型環氧地坪涂料的 200 ℃ 時的質量損失和最大分解速率溫度的關系圖

從圖 7 可以看出，該樣品的 200 ℃ 時的質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性變化。當樣品配比為主漆∶固化劑=100∶20（w/w）時，無溶劑環氧地坪涂料的 200 ℃ 時的質量損失率，略高于常規的無溶劑型環氧地坪涂料的 200 ℃ 時的質量損失率。當更改樣品配比為主漆∶固化劑=100∶15（w/w）時，無溶劑環氧地坪涂料的 200 ℃ 時的質量損失率更低、更合理，同時無溶劑型環氧地坪涂料的力學性能有較大提高，能夠達到現行國家標準的要求。

從以上分析可知，該無溶劑型環氧地坪涂料對固化劑的用量比較敏感，混合時應準確地稱取固化劑的重量。該無溶劑型環氧地坪涂料的固化劑中含有大量的小分子溶劑，為了更優的使用性能和環保性能，應當適當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固化劑。通過適當的調整，使得該無溶劑型環氧地坪涂料具有更良好的性能，并能滿足需要使用彈性地坪涂料的特殊場合。

4 結論

本文研究了一種彈性無溶劑型環氧地坪涂料的成分，測試了其力學性能，研究了其紅外光譜、玻璃化溫度、損耗因子 tanδ最大值、熱失重參數等隨固化劑用量改變的變化情況，并與普通的無溶劑型環氧地坪涂料進行了比較。根據現有的地坪涂料的檢測標準和要求，對該彈性無溶劑型環氧地坪涂料提出了一些要求和改進意見。Q