無溶劑型環氧地坪涂料的力學性能和微觀性能的研究

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

有機地坪涂料對建筑地面起到保護、裝飾或者發揮特殊功能的作用［1］，成分主要有環氧樹脂、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚脲等［2］。無溶劑型地坪基本無揮發性有機物（VOC），使用廣泛，其中無溶劑型環氧地坪涂料的使用量最大［3］，主要由環氧樹脂和固化劑構成。

有機地坪涂料應有一定的硬度和抗壓強度，并能達到耐磨損［4］、耐介質等要求。只有當無溶劑型地坪涂料的樹脂、稀釋劑和填料等組分合適、配比適當、交聯程度合理時，才能夠滿足國家標準的要求，實現地坪涂料的使用功能［5］。無溶劑型環氧地坪涂料的成分復雜，檢測項目眾多，測試過程繁瑣，而且不合格產品也比較多。研究無溶劑型環氧地坪涂料的化學組分以及固化后的玻璃化溫度和熱失重等參數，可以從微觀角度了解無溶劑型環氧地坪涂料的真實性能，使用少量樣品即可判斷產品的優劣，避免對不合格產品進行全項目的檢測。

本文使用紅外分析、動態熱機械分析和熱失重分析等微觀分析方法，對無溶劑型環氧地坪涂料進行研究，探討了無溶劑型環氧地坪涂料的力學性能與微觀參數的關系，找出無溶劑型環氧地坪涂料的微觀參數的合理范圍，建立起利用少量的無溶劑型環氧地坪涂料進行產品檢驗的測試方法。

1 原材料

本文收集了 5 個無溶劑型環氧地坪涂料，編號為 DP-9、DP-13、DP-14、DP-20、DP-21。它們的產品類型、樣品配比和顏色等信息，如表 1 所示。

表1 無溶劑型環氧地坪涂料的配比和顏色

這 5 個無溶劑型環氧地坪涂料的樣品配比比較接近，其中 DP-9、DP-13、DP-14、DP-20 的樣品配比均為主漆：固化劑=100∶25（w/w），而 DP-21 的樣品配比為主漆：固化劑=100∶20（w/w）。

這 5 個無溶劑型環氧地坪涂料的顏色基本以灰色和黑色為主，DP-13 為黃色。

2 實驗設備

抗壓強度使用萬能材料試驗機。

紅外光譜使用傅立葉變換紅外光譜儀測試，掃描范圍為 4 000～400 cm-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。

熱失重分析使用熱重分析儀測試；氮氣氣氛測試的溫度范圍為室溫～1 000 ℃，升溫速度 10 ℃/min。

3 有機地坪涂料標準體系介紹

目前國內有機地坪涂料的標準較多，涉及到無溶劑型環氧地坪涂料的，分別為 GB/T 22374－2018《地坪涂裝材料》（以下簡稱“GB/T 22374－2018”）、HG/T 3829－2006《地坪涂料》（以下簡稱“HG/T 3829－2006”）和 JC/T 1015－2006《環氧樹脂地面涂層材料》（以下簡稱“ JG/T 1015－2006”）。它們提出的無溶劑型環氧地坪涂料的力學性能項目基本相同，各自的要求有所區別，各標準的要求如表 2 所示。

表2 無溶劑型環氧地坪涂料的力學性能要求

總體來講，為了達到較好的使用性能，無溶劑型環氧地坪涂料的邵氏硬度應達到 70 以上，耐磨性應該≤0.030 g，抗壓強度應＞45 MPa，拉伸粘結強度應＞2.0 MPa，120 ℃ 的不揮發物含量（固體含量）應≥95 %。

4 結果與討論

4.1 力學性能

無溶劑型環氧地坪涂料的耐磨性和拉伸粘結強度的合格率通常較高。本文中的 5 個產品的耐磨性和拉伸粘結強度也是合格的，文中未列出它們的結果。5 個無溶劑型環氧地坪涂料的邵氏硬度和抗壓強度，如表 3 所示。

表3 無溶劑型環氧地坪涂料的物理性能

5 個無溶劑型環氧地坪涂料的邵氏硬度的結果為 77～85，這說明合格的地坪涂料產品的邵氏硬度的結果都比較接近。當地坪涂料產品的邵氏硬度較低時，其交聯程度不足，物理性能通常都不合格。

5 個無溶劑型環氧地坪涂料的抗壓強度最低的是 DP-9 為 71 MPa，最高的是 DP-14 為 122 MPa。除 DP-9 外的 4 個產品的抗壓強度都滿足地坪涂料標準的要求；DP-9 的抗壓強度略低，滿足 GB/T 22374－2018中關于無溶劑型面涂（W 型）和 JC/T 1015－2006 中關于自流平涂層材料的要求，但是未達到 HG/T 3829－2006 中關于厚型面漆（C 類）的要求。

從實驗結果來看，無溶劑型環氧地坪涂料的邵氏硬度的結果與抗壓強度的結果沒有明顯的相關性。

4.2 紅外分析

5 個無溶劑型環氧地坪涂料的紅外光譜的結果，如圖 1 所示。

圖1 無溶劑型環氧地坪涂料的紅外光譜圖

5 個無溶劑型環氧地坪涂料的紅外光譜，基本一樣，均為雙酚A類的環氧地坪涂料［6］：1 729 cm-1處是 C=O 的特征峰，1 606 cm-1和 1 507 cm-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是脂肪族叔胺 C-N 吸收峰，1 033 cm-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。

5 個無溶劑型環氧地坪涂料的各個對應的紅外峰的強度也比較接近，說明這 5 個樣品的環氧樹脂、胺類固化劑的種類和比例也基本相同，涂料的固化程度接近，反應都比較完全，力學性能較好。

4.3 動態熱機械分析

動態熱機械分析的結果與無溶劑型環氧地坪涂料的物理性能有著密切的關系，這是因為動態熱機械分析的結果與無溶劑型環氧地坪涂料的配方和交聯程度有關，因此能間接地反映出無溶劑型環氧地坪涂料的物理性能。5 個無溶劑型環氧地坪涂料的動態熱機械分析的結果，如圖 2 所示。

圖2 無溶劑型環氧地坪涂料的動態熱機械分析曲線

從圖 2 可以看出，5 個無溶劑型環氧地坪涂料的玻璃化溫度有近 20 ℃ 的差異，說明這 5 個無溶劑型環氧地坪涂料的交聯程度差異非常大，而邵氏硬度和抗壓強度無法如此準確地反應地坪涂料的交聯程度的差異。

5 個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 4 所示。玻璃化溫度最低的是 DP-9，為 62.9 ℃；玻璃化溫度最高的是 DP-13，為 84.1 ℃。損耗因子 tanδ最大值最低的是 DP-13，為 0.845；損耗因子 tanδ最大值最高的是 DP-9，為 1.409。

表4 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

這 5 個樣品中 DP-9 的玻璃化溫度最低，損耗因子 tanδ最大值最大，這與 DP-9 的邵氏硬度較低、抗壓強度最低，樣品較軟是一致的。DP-13 的玻璃化溫度最高，損耗因子 tanδ最大值最小，這與 DP-13 的邵氏硬度最高、抗壓強度較高，樣品較硬是一致的。因此動態熱機械性能能比較好地反應地坪涂料的物理性能，并給出物理性能的原因分析。分別以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3所示。

圖3 無溶劑型環氧地坪涂料的玻璃化溫度和損耗因子 tanδ 最大值的關系圖

當無溶劑型環氧地坪涂料的交聯程度提高時，玻璃化溫度會提高，并且損耗因子 tanδ最大值會降低。因此沿著圖 3 中箭頭方向，無溶劑型環氧地坪涂料的交聯程度是逐漸提高的。從圖 3 可以看出，合格的無溶劑型環氧地坪涂料的玻璃化溫度應該在 60～90 ℃ 之間，損耗因子 tanδ最大值應該在 0.8～1.4 之間。

從這些樣品可以總結出，無溶劑型環氧地坪涂料的玻璃化溫度和損耗因子 tanδ最大值的合格范圍應該位于圖 3 中 4 條虛線所圍成的矩形框內（［60，90］h［0.8，1.4］）。

4.4 熱失重分析

熱失重分析能夠研究出無溶劑型環氧地坪涂料中的各組分的種類以及各組分的含量，還能判定環氧樹脂的熱穩定性。5 個無溶劑型環氧地坪涂料的熱失重分析曲線（0～1 000 ℃），如圖 4 所示。

圖4 無溶劑型環氧地坪涂料的熱失重曲線（0～1 000 ℃）

從圖 4 可以看出，DP-13、DP-14 的樹脂含量較低，碳酸鈣含量較高。DP-9、DP-21 的樹脂含量較高，DP-9 的碳酸鈣含量較高，而 DP-21 的碳酸鈣含量較低。DP-20 的樹脂含量是 5 個樣品中最高的，而且還可以看出 DP-20 中沒有碳酸鈣。

當無溶劑型環氧地坪涂料的配方中含有少量的非活性稀釋劑，或者配比不當導致交聯不完全時，無溶劑型環氧地坪涂料中會存在較多的小分子物質，導致在較低溫度時無溶劑型環氧地坪涂料的熱失重曲線就有較高的熱失重率。

5 個無溶劑型環氧地坪涂料的熱失重分析曲線（0～4 00 ℃），如圖 5 所示。從圖 5 可以看出，5 個無溶劑型環氧地坪涂料在 200 ℃ 時熱失重率不高，大約有 5 % 左右的質量損失。

圖5 無溶劑型環氧地坪涂料的熱失重曲線（0～400 ℃）

5 個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 5 所示。

表5 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

合格的無溶劑型環氧地坪涂料在 200 ℃ 時的質量損失不會很高。從表 5 中可以看出，DP-13 的 200 ℃ 時的質量損失最低，只有 2.8 %；DP-20 的 200 ℃ 時的質量損失最高，達到 6.0 %。無溶劑型環氧地坪涂料的 200 ℃ 時的質量損失在 2.5 %～6.0 % 之間。這個質量損失的范圍與地坪涂料標準規定的不揮發物含量要求是比較符合的。

從表 5 還可以看出，無溶劑型環氧地坪涂料的 200 ℃ 時的質量損失和地坪涂料的力學性能沒有明顯的正相關性。

無溶劑型環氧地坪涂料的最大分解速率溫度在 340～380 ℃ 之間。DP-9 的最大分解速率溫度最低，比另外 4 個樣品低 10～20 ℃。這與 DP-9 的交聯程度較低是一致的。

分別以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 6 所示。

圖6 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

當無溶劑型環氧地坪涂料的交聯程度不足時，涂料的 200 ℃ 時的質量損失較高，邵氏硬度和抗壓強度偏低。當無溶劑型環氧地坪涂料的交聯程度過高時，200 ℃ 時的質量損失較低，涂料的脆性高，柔韌性不足。當無溶劑型環氧地坪的交聯程度不足時，涂料的最大分解速率溫度較低。當無溶劑型環氧地坪的交聯程度提高時，涂料的最大分解速率溫度也會提高。因此沿著圖 6 中箭頭方向，無溶劑型環氧地坪涂料的交聯程度是逐漸提高的。

從這些樣品可以總結出，合格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合理范圍應該位于圖 6 中 4 條虛線所圍成的矩形框內（［2.5，6］h［350，380］）。

5 結語

通過對無溶劑型環氧地坪涂料進行紅外分析、動態熱機械分析和熱失重分析，獲得了無溶劑型環氧地坪涂料的紅外峰相對強度以及玻璃化溫度、損耗因子 tanδ最大值、200 ℃ 時的質量損失和最大分解速率溫度等微觀參數，發現地坪涂料的動態熱機械性能與物理性能的相關性較強。通過對合格的無溶劑型環氧地坪涂料的分析，找到了動態熱機械分析和熱失重分析的參數的合理范圍，可以對少量的地坪涂料樣品進行快速檢測以評估無溶劑型環氧地坪涂料的力學性能。Q