液體硅膠對環氧類路用熱反射涂層性能的影響

朱云升 黃良略 劉承錕 于羅賓 曾祥玉

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (中交第一公路工程局有限公司海外分公司2) 北京 100000)

0 引 言

熱反射涂層技術是一種極具發展潛力的瀝青路面降溫技術[1]，在瀝青混凝土路面上涂刷熱反射涂料，能有效降低路面內部溫度，延緩車轍病害的發生.環氧樹脂力學性能良好，附著力、耐磨性、耐腐蝕性等性能優良，可用作熱反射涂層的成膜基料[2-6]，但環氧樹脂交聯密度大，導致環氧類熱反射涂料固化后脆性大，韌性小，因此，有必要增強其韌性，提升熱反射涂層的路用性能.橡膠彈性體、熱塑性樹脂、韌性固化劑、納米剛性粒子、核-殼聚合物、生物基原料均可增韌環氧樹脂[7-9]，從現場施工可操作性以及經濟性考慮，文中在使用韌性固化劑增韌的同時，共混液體硅膠，以改善環氧類熱反射涂層的韌性，并研究了液體硅膠對涂層光澤度、耐磨性、降溫效果和耐凍融等性能的影響.

1 試驗涂料的制備

1.1 試驗材料

1.1.1成膜基料

丙烯酸樹脂、聚酯樹脂、聚氨酯樹脂、有機硅樹脂、環氧樹脂、有機氟樹脂均可用作為成膜基料.為甄別市售成膜基料，本文在自建的路用熱反射涂層成膜基料性能評價體系的基礎上，選出性能評價結果較好的環氧樹脂作為成膜基料，固化劑選用胺類固化劑，其基本性能見表1～2，胺類固化劑與環氧樹脂固化過程[10]見圖1.

表1 環氧樹脂基本性能表

表2 固化劑基本性能表

圖1 胺類固化劑與環氧樹脂固化過程

1.1.2顏填料

顏填料是路用熱反射涂層實現降溫的主要材料，按功能可分為反射型、隔熱型和輻射型.其中，金紅石型鈦白粉通常作為熱反射涂層的主要顏料，通過添加輔助性填料可實現較好的降溫性能.本文選用金紅石型鈦白粉和空心微球為顏填料，其基本性能見表3～4，金紅石型鈦白粉和空心微球比例為1∶0.4，最佳顏基比為0.15.

表3 鈦白粉基本性能表 單位:%

表4 空心微球基本性能表

1.1.3助劑

顏填料在成膜基料中易結團，不僅影響涂層表觀，還影響涂層降溫效果.本研究在涂料體系中添加分散劑，利用分散劑的溶劑化鏈在環氧樹脂中所產生的空間屏蔽，來降低顏料顆粒間的作用力，使顏填料顆粒能均勻地分散在環氧樹脂中.

1.1.4液體硅膠

液體硅橡膠屬于高溫硫化橡膠的類別，膠凝后呈彈性體，但其膠凝行為類似于熱固性材料[11].液體硅膠分為單組份和雙組份.單組份液體硅膠主要依靠空氣中的水汽進行固化，對環境依賴度較高，涂層涂刷較厚時，單組份液體硅膠不能固化；雙組份液體硅膠只需AB組份按照比例混合，即可固化，其固化過程見圖2[12].采用雙組份液體硅膠作為填料，其基本性能見表5.

圖2 雙組份液體硅膠固化過程

表5 雙組份液體硅膠基本性能表

1.2 涂料的制備

按1∶1配比稱取AB組份的液體硅膠，使用玻璃攪拌棒攪拌均勻后，加入環氧樹脂，采用低速攪拌機攪拌均勻后，加入鈦白粉、空心微球，并使用剪切機剪切15 min，以保證鈦白粉能均勻地分散在硅膠-環氧樹脂體系中，最后加入固化劑和稀釋劑，玻璃攪拌棒或低速攪拌機攪拌均勻.熱反射涂料配方見表6.

表6 路用熱反射涂料配方表

2 試驗方法

2.1 涂料黏度測試方法

涂料黏度采用便攜式涂4杯進行測試，具體操作見GB/T 1723-93《涂料黏度測定法》，并對測得的涂料流出時間進行運動黏度換算，即

t=0.154v+11(t<23 s)

(1)

t=0.154υ+11(23 s≤t<150 s)

(2)

式中：t為流出時間；υ為運動黏度.

2.2 涂層光澤度測試方法

采用60°角光澤度儀測試涂層光澤度.在馬口鐵片上涂刷濕膜厚度為2.8 mm的熱反射涂料，恒溫恒濕條件下養生24 h后，作為光澤度測試樣片.測試前，先對光澤度儀進行校核，校準后，隨機在涂層樣片上選取3處進行測試，以其平均值作為涂層光澤度值.

2.3 涂層沖擊強度測試方法

采用沖擊試驗機，并按照GB/T 1732—1993《漆膜耐沖擊測定法》的標準進行相關測試.

2.4 涂層耐磨性測試方法

參照GB/T 1768—1989《漆膜耐磨性測定法》，先將涂料澆筑成圓形試件，固化成型后，將其放置在特定的轉盤上并固定，然后加壓，開啟開關.轉盤先轉動50 r，進行試件表面預磨平，預磨平完成后，取下試件，掃去碎屑，稱取初重.正式測試時，采用300磨耗轉數，試驗停止后，取出樣片，再次稱取試樣的重量.試件兩次重量差即為涂層的磨耗損失量.

2.5 涂層降溫性能測試方法

采用車轍板為承載板制作試驗樣板，并在車轍板20 mm處埋設溫度探頭，以方便采集車轍板20 mm處的溫度.使用打孔機在車轍板中心打孔，將溫度探頭埋設在距測試面20 mm的位置后，填充冷補料，并壓實；然后在測試面上涂刷0.5 kg/m2熱反射涂料，表干前，灑布1 kg/m2的防滑顆粒，待第一層涂料完全固化后，再次涂刷0.3 kg/m2的熱反射涂料，第二層涂料完全固化后，在測試樣板周圍包裹聚乙烯泡沫板，以避免試驗板內部與外界發生熱交換.選擇晴朗無風的天氣，將涂刷涂料的試驗樣板以及未涂刷涂料的車轍板放置在太陽下照射2 h，并記錄兩車轍板在20 mm處的溫度值，其差值即為降溫值.

2.6 涂層耐凍融性測試方法

涂刷在車轍板上的涂料固化后，將車轍板放置在(23±2) ℃恒溫水槽中浸泡18 h，浸泡完成后，將取出的車轍板放入-18 ℃冷凍箱中3 h，然后從冷凍箱內取出，放入(70±2) ℃烘箱中，恒溫3 h，以此為1個循環.以出現開裂、剝落、起泡等不良現象的循環次數來評價熱反射涂層的耐凍融性.

3 試驗結果分析

3.1 液體硅膠對涂料運動黏度的影響

路用熱反射涂料多采用固體填料來降低涂層的光澤度，用作消光的固體填料由于密度小、質量輕，少量的添加會極大的增加涂料的黏度，涂料黏度過大，不僅導致涂刷困難，而且涂料中固體填料結團嚴重，一般控制涂料涂刷運動黏度不超過300 mm2/s.本文選用OK412型消光粉和液體硅膠進行黏度對比試驗，為避免試驗中涂料運動黏度超過300 mm2/s，將表1中稀釋劑用量增至15 g.本文以涂層達到亞光時的運動黏度值為依據，按照2.1和2.2測試方法進行涂層光澤度和黏度測試，不同消光粉和液體硅膠添加量下的涂料運動黏度和固化后的光澤度測試結果見表7～8.

表7 添加液體硅膠的熱反射涂料運動黏度值及光澤度值

表8 添加消光粉的熱反射涂料運動黏度值及光澤度值

由表7～8可知，隨著液體硅膠、消光粉的添加，涂料運動黏度均呈遞增趨勢.當涂層呈現亞光(光澤度值<30 GU)時，添加消光粉的涂料運動黏度值由161.6增至246.7 mm2/s，增加了52.7%；而添加液體硅膠的涂料運動黏度值由161.6增至167.3 mm2/s，僅增加了3.5%.因此，液體硅膠對涂料的增稠效果要小于消光粉，調節涂料運動黏度時，可減少稀釋劑的用量.

3.2 液體硅膠對涂層光澤度的影響

涂層光澤度表征涂層對光的反射能力.高光澤度的路用熱反射涂層雖然可以反射較多的光照，但會引起駕駛員炫目，增加交通事故率，因而，需對涂層進行消光處理，以保證涂層低光澤度.對涂層消光，即破壞涂層表面的光滑性，增加其微觀粗糙度來降低涂層的反射光線能力.為將熱反射涂層表面粗糙度更為直觀地表現出來，本文按表1中涂料配比進行樣片制作，數碼相機拍照后，利用MATLAB進行圖像灰度處理，提取灰度圖像的坐標和灰度進行三維模型重構，以編號1和編號6樣片為例，其重構后的三維模型見圖3.同時，利用灰度圖像中的坐標灰度矩陣Z對粗糙程度進行數值化，即用矩陣Z中所有元素的最大值為Zmax減去Z中每一個元素得到中間矩陣Z′，Z′中所有元素的和記為S，用S除以Z′中元素個數M，即得到A=S/M，數字A即可表示涂層的粗糙程度，A越大說明涂層越粗糙.對編號1～9樣片分別提取灰度圖像的坐標矩陣進行計算，計算結果見表9.對按表1配比所制備的熱反射涂層樣片進行光澤度測試.涂層光澤度隨液體硅膠添加量的變化曲線見圖4.

圖3 圖片重構后三維模型

表9 路用熱反射涂層表面粗糙度計算值匯總表

根據表9可知，隨著液體硅膠用量依次增大，路用熱反射涂層表面粗糙度先增后減.液體硅膠用量由0逐步添至14%時，熱反射涂層表面粗糙度由2.361增至3.614，增加了53.1%；但硅膠用量由14%增至16%時，熱反射涂層表面粗糙度由3.614降至3.374，降低了6.64%.加入液體硅膠后熱反射涂層表面粗糙度之所以變化是因為液體硅膠是一種分子鏈兼具有機和無機性質的高分子聚合物，分子量較大，分子鏈由硅原子和氧原子交替組成(—Si—O—Si—)，鍵能較大，同時側鏈上的碳氫基團或取代碳氫的有機基團不活潑，與環氧樹脂上的環氧基、羥基等活性基團幾乎不發生反應，硅膠側鏈上的碳氫基團或取代碳氫的有機基團與環氧樹脂上的環氧基、羥基等活性基團也幾乎不親和，因而液體硅膠與環氧樹脂不相容，在硅膠-環氧樹脂體系固化過程中硅膠相和環氧相出現相分離，導致固化后各自呈現自己的相區.液體硅膠不超過16%時，以環氧相為主，固化后的環氧樹脂表層分布有硅膠相，隨著用量逐步增加，硅膠相的分布量增加，因而環氧樹脂表層粗糙度增大；液體硅膠超過16%時，硅膠相占優，分離出較多的硅膠相反而使環氧樹脂表層光滑，粗糙度降低,見圖4.

圖4 涂層粗糙度、光澤度隨液體硅膠添加量變化曲線

由圖4可知，熱反射涂層光澤度隨液體硅膠的添加先減后增.當液體硅膠添加量為10%時，涂層光澤度達到最小值為24，較未添加液體硅膠的熱反射涂層光澤度值降低72.1%；液體硅膠增加到16%時，涂層光澤度為31，升高29.2%.這是因為涂層表觀粗糙度與涂層光澤度呈反比關系，涂層粗糙度值越大，其光澤度越低.

3.3 液體硅膠對涂層沖擊強度的影響

環氧樹脂固化后交聯密度大，分子鏈實現自由滑動困難，導致環氧樹脂成膜物脆性大.硅膠膠凝后呈現彈性，可在一定程度上改善環氧類涂層的韌性.文中采用沖擊強度作為涂層韌性的評價指標，具體測試方法見2.3，不同液體硅橡膠添加量的涂層沖擊強度測試結果見圖5.

圖5 不同液體硅橡膠添加量的涂層沖擊強度

由圖5可知，隨著液體硅膠添加量的增加，涂層的沖擊強度逐漸增大，即環氧類熱反射涂層的韌性逐漸增強.添加16%液體硅膠的熱反射涂層沖擊強度較未添加液體硅膠的熱反射涂層的沖擊強度提升了54.8%.

3.4 液體硅膠對涂層耐磨性的影響

涂層的耐磨性表征涂層抵抗外界摩擦作用的能力，涂層耐磨性越好，在摩擦力作用下，其磨耗損失量越少.涂層耐磨性的測試方法按照2.4進行，不同液體硅膠添加量下的磨耗損失量測試結果見圖6.同時，在瀝青路面上涂刷了試驗塊，6個月后的磨損狀況見圖7.

圖6 不同液體硅橡膠添加量的涂層磨耗損失量

圖7 添加液體硅膠后涂料的實際磨損情況

根據圖6可知，熱反射涂層的磨耗損失量隨著液體硅膠用量的增加而降低，添加16%液體硅膠的涂層較未添加硅膠的涂層的磨耗損失量降低19.8%.涂層磨耗損失量降低表明涂層耐磨性增加，這是由于硅橡膠是柔而韌的彈性體，雖然硬度較低，但耐磨性好，隨著液體硅橡膠添加量的增加，涂層中析出的硅膠相逐步增加，最終占優，因而涂層磨耗損失量逐漸減少.

3.5 液體硅膠對涂層降溫性能的影響

路用熱反射涂層的降溫性能直接影響路面內部溫度的降溫值，良好的降溫效果可在一定程度上可減緩由高溫引起的“車轍”病害.顏填料的折光系數、成膜基料的導熱系數、涂層光澤度等均能影響熱反射涂層的實際降溫效果.為消除光澤度的影響，本文按照2.5制作試驗樣板時，第一層涂料使用添加液體硅膠的熱反射涂料，第二層涂料使用未添加液體硅膠的熱反射涂料，第二層涂料完全固化后，按照2.5測試方法進行相關試驗，其涂層表面以及車轍板20 mm處的降溫值測試結果見圖8.

圖8 涂層表面以及車轍板20 mm處的降溫值

液體硅膠添加量不同導致硅膠-環氧樹脂二元混合體導熱系數不同.硅膠-環氧樹脂體系屬非水混合物，可用“串聯”或“混聯”理想模型計算導熱系數，“串聯”和“混聯”計算模型為[13]

λmid=w1λ1+w2λ2

(3)

λmid=[w1λ1+w2λ2+(w1/λ1+w2/λ2)-1]

(4)

式中：λmid為混合物導熱系數;wi為液體混合物中組分i的占比；λi為液體混合物中組分i的導熱系數.

本文采用精度較高的“串聯”模型進行硅膠-環氧樹脂二元混合體導熱系數的計算，其中環氧樹脂的導熱系數為0.2，硅膠的導熱系數為0.27，計算結果見表10.

表10 硅膠-環氧樹脂二元混合體導熱系數匯總表

由圖8可知，液體硅膠的添加對熱反射涂層的降溫值幾乎無影響.根據表10，雖然硅橡膠的添加可導致硅膠-環氧樹脂導熱系數的增大，但增加不顯著，因而，液體硅膠對熱反射涂層降溫效果的影響不顯著.

3.6 液體硅膠對涂層耐凍融性的影響

涂層的耐凍融表征涂層對冷熱交替變化的承受能力.涂層在經受溫度、濕度的驟然變化后，性能在一定程度上會發生變化.用于熱反射涂層耐凍融性測試的樣板按2.5制備，涂層耐凍融次數測試參照2.6，其結果見表11.

表11 不同硅膠添加量涂層的凍融次數

由表11可知，隨著液體硅橡膠的添加，熱反射涂層的凍融次數增加，即環氧類熱反射涂層的耐凍融性提高.環氧類熱反射涂層在凍融循環過程中，會發生了一定程度的濕熱老化和熱氧老化，但凝膠后的硅橡膠耐老化性能要優于環氧樹脂，因而，液體硅橡膠的添加可增強環氧類熱反射涂層的耐凍融性.

4 結 論

1) 液體硅膠能有效的降低熱反射涂層的光澤度，添加量為10%～14%時，涂層的光澤度小于30GU，處于亞光.以達到亞光為評判標準，液體硅膠增稠效果小于消光粉.

2) 液體硅膠能提升環氧類熱反射涂層的韌性，液體硅膠添加量為14%～16%時，其沖擊強度可提升54.3%～54.8%.

3) 液體硅膠能提升環氧類熱反射涂層的耐磨性，且隨著添加量增加磨耗損失量降低，添加16%液體硅膠的涂層較未添加硅膠的涂層的磨耗損失量能夠降低19.8%.

4) 液體硅膠對熱反射涂層的降溫性能無明顯影響.

5) 液體硅膠可提升環氧類熱反射涂層的耐凍融性，液體硅膠添加14%～16%時，熱反射涂層凍融次數提高2次.

6) 綜合液體硅膠對熱反射涂層光澤度、沖擊強度、耐磨性、降溫值、耐凍融性的影響，液體硅膠的適宜添加量為14%.