阻燃可雕刻環氧灰漿的制備

于欽萍　王煒

摘要：指出了目前主題公園在國內得到大力發展，而主題公園的造型材料尤其是有機材料大多靠國外進口，國內尚無此類產品的生產與應用。詳細介紹了一種可用于造型、雕的阻燃環氧樹脂材料的配制與實驗方案，實驗結果表明：該材料不僅能滿足力學性能的要求，還具有較高的施工性。

關鍵詞：環氧樹脂；阻燃；可雕刻；灰漿

中圖分類號：TU54 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）08-0146-03

1.引言

作為一種新型的旅游目的地，主題公園（themepark）正以其獨特的文化內涵、豐富的科技含量和強大的娛樂功能，吸引著越來越多的大眾游客。自1955年DISNEY開創了第一個真正意義上的主題公園以來，在美國、歐洲和日本等地迅速形成了較大的規模。1990年全球年接待超過百萬人次的大型主題公園已有225家，游客量逾3億人次，創造了70億美元的收入；2000年主題公園數量增加了近50%，游客數量增加了近80%，收入翻了一番。近10年來，亞洲市場也已日益成為主題公園的主導市場之一。我國主題公園的發展始于1989年，隨后在珠江三角洲、長江三角洲等東部經濟發達的城市和港臺地區得到了較快的發展。主題公園本質上是一種人造旅游景觀，著重于特定的主題、環境和氣氛，并隨時代的發展表現形式也日趨多樣化。

近年來總院分別啟動了新加坡圣淘沙海洋王國、珠海長隆海洋王國、華僑城、上海迪斯尼樂園等各項主題公園的承建項目。主題公園建設已列入集團的四梁八柱重點發展方向之一。阻燃可雕刻環氧樹脂灰漿作為一種全新的主題造型材料，正越來越多地被應用于國內外各大主題公園的景觀造型中，材料與雕刻工藝相結合，發展出了仿真程度高，耐久性優良的各種造型。有別于目前國內公園使用的不飽和聚酯翻模的造型，具有輕質、耐老化、阻燃、雕刻性好、良好的自身粘接性及修補性的特點，且使用工具可水洗，已經成功應用到上海迪士尼樂園項目中。

2.試驗部分

2.1試驗材料

環氧樹脂，岳陽石化；柔性樹脂，日本進口；丁基縮水甘油醚，安徽恒遠化工有限公司；改性固化劑，美國空氣化工產品有限公司；阻燃劑，進口；海硅烷偶聯劑KH560，南京曙光化工集團有限公司；中空玻璃微球，美國3M公司；消泡劑BYK-052N、BYK-412，德國畢克化學；抗氧劑，進口；紫外吸收劑，進口。

2.2阻燃雕塑環氧樹脂灰漿配制

加入環氧樹脂、柔性環氧樹脂、活性稀釋劑、消泡劑、分散助劑、抗氧劑、紫外線吸收劑和硅烷偶聯劑，分散20 min，環氧樹脂、活性稀釋劑、活性增韌劑、助劑加入到真空攪拌器，常壓分散2～5 min至均勻；阻燃劑、阻燃填料常壓分散20 min，真空分散2 min，稱重出料得阻燃可雕刻環氧樹脂灰漿甲組份。

將環氧樹脂固化劑、阻燃填料加入到真空攪拌器，分散20 min，真空分散1～2 min，稱重出料，阻燃可雕刻環氧樹脂灰漿乙組分。

按比例加入將甲乙兩組分進行混合至均勻，熟化10 min。

3.結果與討論

3.1性能測試

測試灰漿的性能結果見表1。

3.2實驗結果討論

3.2.1環氧樹脂的選擇

無溶劑、高PVC、高觸變性環氧灰漿，相對于溶劑類環氧材料的難點在于高顏料體積濃度時的粘度控制，這嚴格關聯到生產與施工，同時考慮使用液態環氧樹脂作為成膜物時材料的韌性。因此，主要考慮以下幾個因素：環氧樹脂、活性稀釋劑、助劑及灰漿體系的增韌。首先是環氧樹脂的選擇，雙酚A型6101環氧樹脂軟化點在12～20℃，固在低溫時黏度增加較大，加工變得十分困難；雙酚A型環氧樹脂618相對分子質量低，由于分子鏈的短，涂層的柔韌性降低，脆性增大，但通過增韌改性，能夠達到目標要求。綜合以上環氧樹脂的特點，為得到具有良好的加工性能，較長的施工期效、防腐性能和低溫可操作性，以雙酚A型環氧樹脂618作為阻燃可雕刻環氧樹脂灰漿的主要基料。

3.2.2活性稀釋劑的選擇

目前，活性稀釋劑具有低毒性、弱反應性，其較好的稀釋效果，使非極性表面獲得改善。混合樹脂（環氧樹脂618和柔性環氧樹脂）自身黏度較高，為進一步降低樹脂黏度，得到合適的混合樹脂黏度，對應使用不同的活性稀釋劑對混合樹脂進行稀釋，圖1是不同稀釋劑對混合樹脂的粘度影響。

圖中四條曲線是四種活性稀釋劑對環氧樹脂618的稀釋粘度，從四條曲線的對比來看，丁基縮水甘油醚對環氧樹脂的稀釋效果最好，添加量為環氧樹脂618的10%時，粘度降低到1300 mPa·s，能夠充分滿足配制環氧灰漿的粘度。

3.2.3增韌劑的選擇

未改性厚漿型無溶劑環氧涂層由于單次成膜厚，固化后韌性差，脆性大，當與鋼材粘接部位承受外力彎曲時，容易產生裂紋，并迅速擴展，導致涂層開裂。增韌劑一般含有活性基團，能與胺基反應，但應用到厚漿型無溶劑環氧涂層中主要存在以下問題：①少量加入對涂層的韌性改善不明顯；②同固化劑、環氧樹脂相容性差，固化后不完全相容，并伴有相分離的情況，因此我們選擇對樹脂進行改性，柔性環氧樹脂碳鏈長，韌性好，能提高韌性。

3.2.4助劑的選擇

高顏料體積濃度無溶劑灰漿的最關鍵的是粘度，粘度關系到生產與施工，控制粘度的因素除了樹脂、稀釋劑、固化劑、顏料體積濃度外，助劑也是功不可沒，因此助劑的選擇至關重要，消泡劑也是無溶劑體系中必不可少的助劑，施工前材料混合容易帶入空氣，選擇合適的消泡劑能夠在生產及施工過程中有效消除起泡，因此我們選擇BYK-052，該消泡劑消泡抑泡效果好，且固含高，不會帶來揮發分。此外，無溶劑厚漿灰漿容易出現施工時的流掛現象，BYK-412專門提高灰漿施工時的觸變性，添加后，灰漿粘度變化不明顯，不影響生產。但施工時能很好的抑制涂層流掛。

3.2.5輕質材料的選擇

在研究初期首先對國內外多種中空玻璃微球進行對比，也對不同粒徑的空心微球進行力學性能測試，添加量太低材料的可塑性很差，同時材料密度大，不利于成品的安裝；添加量太高，分散困難，同時也造成環氧灰漿狀態發散雕刻成型困難。圖2是不同種類的空心微球的力學性能對比圖。

上述三個曲線圖是不同的空心微球對阻燃可雕刻環氧樹脂灰漿的抗壓強度、抗拉強度和粘接強度的影響，紅色曲線是酚醛樹脂微球，隨著微球添加量的增加，力學強度均有不同程度的下降，但三者對比酚醛樹脂空心微球的特點增稠慢，添加量大阻燃可雕刻環氧樹脂灰漿的粘度影響小，添加量2%時能夠滿足材料的力學要求，且酚醛樹脂微球微溶于水，添加后材料可以沾水施工，工具可以用水清洗。且能為帶來“粗糙”感，是造型更逼真。

3.2.6硅烷偶聯劑的影響

硅烷偶聯劑的添加量分別為0、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%、1.8%、2.1%、2.4%、2.7%和3.0%，對環氧灰漿的抗壓強度和粘接強度都有很大的影響。

從圖5的環氧灰漿的抗壓強度對比來看，偶聯劑的添加量對抗壓強度的影響較為明顯，隨著偶聯劑的添加量的增加，抗壓強度呈下降趨勢，因此，偶聯劑的添加量并非越多越好。

圖6是偶聯劑的添加量對環氧灰漿粘接強度的影響：

注：本粘接強度為阻燃可雕刻環氧樹脂灰漿層之間的粘接強度，并非環氧材料與鋼結構表面的粘接強度。

從圖6可以看出，在硅烷偶聯劑添加量在0～2.1%范圍內，隨著偶聯劑的添加量的增加，環氧灰漿的粘接強度不斷提高，再提高硅烷偶聯劑的用量，環氧灰漿的粘接強度變化不明顯。

綜合圖5和圖6的數據，我們最終確定硅烷偶聯劑的添加量為2.1%，能獲得良好的抗壓強度和粘接強度。

3.2.7阻燃劑及阻燃填料的選擇

傳統的鹵系阻燃劑雖然阻燃效果好，但燃燒時發煙量大，并伴隨產生有毒氣體。隨著人們環保意識的增強，阻燃劑無鹵化已成為發展趨勢。在實際應用中，由于高分子材料性能上的差異，針對不同基材應選擇不同的無鹵阻燃劑，我們進行了篩選：

填料1搭配使用阻燃劑，阻燃劑的添加量和阻燃填料的添加量比例為2：8，可以通過B1級阻燃。

3.2.8固化劑的選擇

目前國內市場固化劑種類繁多，我們選擇了低粘度、不含苯環、易混合、顏色淺的改性胺固化劑作為環氧灰漿的乙組分，且固化時間慢，利于雕刻造型。

4.結語

阻燃可雕刻環氧樹脂灰漿不同于普通的無溶劑環氧材料，其特點除了力學性能的要求，更重要的是施工性：厚涂不流墜；觸變性能優良、雕刻紋理清晰；工具可水洗；固化時間滿足雕刻要求，同時自粘接性能優良，以便材料修補，得到了迪士尼業主與施工方的好評。