邱振宇
(天津大學(xué)仁愛學(xué)院,天津 301636)
環(huán)氧高分子材料性能優(yōu)異,應(yīng)用廣泛[1-4],越來越成為地坪涂裝的主流材料[5-8]。但環(huán)氧高分子材料耐候性不佳,通常僅作為室內(nèi)地坪涂裝材料使用。
近年來,國家對(duì)于戶外健身路徑的投入逐漸加大[9-12]。相較于聚氨酯和丙烯酸材料,環(huán)氧高分子材料特點(diǎn)明顯,優(yōu)勢突出,但耐候性不佳制約著其作為戶外健身路徑地面材料應(yīng)用。
為了改善環(huán)氧高分子材料耐候性不佳的問題,本文采用行之有效的分子設(shè)計(jì)和配方設(shè)計(jì)方法[1,13-15]:采用結(jié)構(gòu)特殊的改性固化劑進(jìn)行化學(xué)改性。制備出耐候性明顯優(yōu)于國外競品材料,耐磨性、附著力等性能穩(wěn)定的高性能環(huán)氧高分子材料,有望能作為戶外地面材料使用。
環(huán)氧樹脂128(南亞,牌號(hào):NPEL-128,純度>99%);改性固化劑(自制,純度>97%);單官能活性稀釋劑C12~C14(美國瀚森,純度>99%);膨潤土(純度>99%)、石英粉(800目,純度>99%)、碳酸鈣(800目,純度>99%)均為市售產(chǎn)品。
萊思LS-UV3紫外線耐候老化實(shí)驗(yàn)箱;瑞格爾RGM-2200微機(jī)控制電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī);BN-X6型智能數(shù)顯擺式摩擦系數(shù)儀。
改性環(huán)氧高分子材料的基礎(chǔ)配方見表1,制備方法如下:
表1 改性高性能環(huán)氧高分子材料基礎(chǔ)配方Table 1 Basic formula of high-performance epoxy polymer materials
先將環(huán)氧樹脂128和單官活性稀釋劑C12~C14混合,800 r/min分散5 min,然后加入膨潤土;1 200 r/min 分散10 min;然后加入石英粉和碳酸鈣,1 200 r/min分散30 min;最后加入改性固化劑分散15 min;脫泡后按照測試要求制備成所需的膜或者樣條。
UV老化實(shí)驗(yàn):按GB/T 14522—2008執(zhí)行;拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率測試:按GB/T 1040.3—2006執(zhí)行;耐水性測試:30 ℃水中浸泡24 h,觀察涂膜;耐堿性測試:30 ℃ Ca(OH)2飽和溶液中浸泡24 h,觀察;低溫抗裂性:-10 ℃保持4 h,室溫放置4 h為一個(gè)循環(huán),連續(xù)做3個(gè)循環(huán)后觀察涂膜開裂情況,是否有裂紋;抗滑性測試:擺式摩擦系數(shù)儀測定BPN值,其中45≤BPN<55,屬于普通防滑等級(jí),55≤BPN<70屬于中防滑等級(jí),BPN≥70屬于高防滑等級(jí);附著力測試:按GB 1720—79(89)執(zhí)行。
表2是改性高性能環(huán)氧高分子材料與國外競品材料的涂膜外觀、耐水性、耐堿性、低溫抗裂性、抗滑值和附著力等涂膜性能的測試數(shù)據(jù)。從結(jié)果可以看出,改性高性能環(huán)氧高分子材料和國外競品材料的涂膜外觀、耐水耐堿、低溫開裂性能均優(yōu)異,成膜均勻,水泡和堿水浸泡后涂膜無異常。改性高性能環(huán)氧高分子材料的附著力明顯比國外對(duì)比材料自主研發(fā)材料優(yōu)異(級(jí)數(shù)越低,附著力越好)。在抗滑性上,改性高性能環(huán)氧高分子材料的BPN值達(dá)到70,屬于高防滑等級(jí)材料;附著力達(dá)到1級(jí)。改性高性能環(huán)氧高分子材料的抗滑性和附著力都明顯超過了國外競品材料。改性高性能環(huán)氧高分子材料的涂膜性能優(yōu)異,特別是優(yōu)異的抗滑性和附著力,作為全民健身場地地面材料使用,比國外競品性能更好,更有優(yōu)勢。
表2 改性高性能環(huán)氧高分子材料與國外競品材料對(duì)比Table 2 Comparison of high-performance epoxy polymer materials with foreign competitive materials
表3和圖1是改性高性能環(huán)氧高分子材料和國外競品材料的UV老化測試結(jié)果。結(jié)果表明,經(jīng)過改性的高性能環(huán)氧高分子材料在UV老化測試中性能下降不明顯。經(jīng)過UV測試15周,拉伸強(qiáng)度僅從14 MPa降低至13 MPa;斷裂伸長率從40%降低至30%,雖然都呈現(xiàn)下降趨勢,但是下降幅度小,拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率能在長時(shí)間內(nèi)保持在初始水平,表明該材料在應(yīng)用過程中耐候性好,材料強(qiáng)度,材料彈性等能長時(shí)間保持,性能穩(wěn)定。拉伸強(qiáng)度達(dá)到13~14 MPa,斷裂伸長率穩(wěn)定在30%~40%,較好地平衡了強(qiáng)度和彈性,適用于地面材料使用,如健身場地等要求一定強(qiáng)度、耐磨和彈性的使用場合。而國外競品材料的強(qiáng)度和斷裂伸長率雖然初始的強(qiáng)度和斷裂伸長率和高性能改性環(huán)氧高分子差別不大,但其耐候性不佳,性能有明顯的衰退,拉伸強(qiáng)度下降了10 MPa,斷裂伸長率下降幅度更大,從42%降低至15%,材料的耐候性和穩(wěn)定性明顯不如改性的高性能環(huán)氧高分子材料。
表3 改性高性能環(huán)氧高分子材料與國外競品UV老化測試Table 3 UV aging test of high-performance epoxy polymer materials and foreign competitive materials
圖1 改性高性能環(huán)氧高分子材料與國外競品UV老化測試性能變化趨勢Fig.1 UV aging properties of high-performance epoxy polymer materials and foreign competitive materials
固定環(huán)氧樹脂128、碳酸鈣、單官活性稀釋劑的用量不變,隨著填料碳酸鈣用量從150份增加至250份,探索了不同改性固化劑用量對(duì)材料性能的影響,配方及測試結(jié)果總結(jié)見表4和圖2。
表4 不同改性固化劑用量對(duì)改性高性能環(huán)氧高分子材料性能的影響Table 4 Effect of different amount of modified curing agent on properties of high-performance epoxy polymer materials
由表4和圖2可知,保持環(huán)氧樹脂和C12~C14稀釋劑的用量不變,改性固化劑從150份提高至250份,制得的環(huán)氧高分子材料拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率均沒有明顯的變化。這是因?yàn)?,該改性固化劑具有特殊的產(chǎn)生分子結(jié)構(gòu),既能與環(huán)氧樹脂產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);又含有硅氧烷基團(tuán),能夠和無機(jī)填料表面產(chǎn)生化學(xué)鍵結(jié)合,應(yīng)力通過界面有效進(jìn)行傳遞,提高環(huán)氧高分子材料和無機(jī)填料之間的界面結(jié)合強(qiáng)度[16-17];而且改性固化劑自身的硅氧烷基團(tuán)還能起到自交聯(lián)的作用[18]。正因?yàn)樵摳男怨袒瘎┰谂浞街械亩嘀叵嗷プ饔茫沟酶男原h(huán)氧高分子材料的交聯(lián)密度能保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平,即使隨著改性固化劑的用量變化,環(huán)氧高分子材料仍然能保持性能穩(wěn)定。該改性固化劑在此配方中的容忍度高、容錯(cuò)率高、易于配膠、方便施工。
圖2 不同改性固化劑用量對(duì)改性高性能環(huán)氧高分子材料性能變化趨勢Fig.2 Effect of different amount of modified curing agent on properties of high-performance epoxy polymer materials
表5和圖3為不同填料用量對(duì)改性環(huán)氧高分子材料性能的影響。
圖3 不同填料用量對(duì)改性高性能環(huán)氧高分子材料性能變化趨勢Fig.3 Effect of different amount of fillers on properties of high-performance epoxy polymer materials
表5 不同填料用量對(duì)改性高性能環(huán)氧高分子材料性能的影響Table 5 Effect of different amount of fillers on properties of high-performance epoxy polymer materials
固定環(huán)氧樹脂128,改性固化劑,單官活性稀釋劑的用量不變,隨著填料碳酸鈣用量從150份增加至250份,改性環(huán)氧高分子材料的拉伸強(qiáng)度保持在14~15 MPa波動(dòng);斷裂伸長率雖然隨著填料用量有所降低,但是降低幅度很小,斷裂伸長率保持在36%~40%。這是因?yàn)楦男怨袒瘎┲泻泄柩跬榛鶊F(tuán),能夠和無機(jī)填料表面產(chǎn)生化學(xué)鍵結(jié)合,應(yīng)力通過界面有效進(jìn)行傳遞,提高環(huán)氧高分子材料和無機(jī)填料之間的界面結(jié)合強(qiáng)度[16-18],克服了常見的因無機(jī)填料加入而導(dǎo)致的相分離使得強(qiáng)度下降的問題。該改性環(huán)氧高分子材料在保持一定強(qiáng)度要求的前提下可容納填料量大,可以降低成本,容忍度高,容錯(cuò)率高,易于配方設(shè)計(jì),該特點(diǎn)特別適合于作為高速公路材料,全民健身場地地面材料等用量大,對(duì)材料成本要求低的場合使用。
通過改性固化劑進(jìn)行改性得到高性能環(huán)氧高分子材料,并對(duì)改性的環(huán)氧高分子材料進(jìn)行了耐磨耐用性、附著力、防滑性、耐候性等性能研究。附著力(劃圈法)1級(jí);抗滑值(BPN)達(dá)到70,屬于高防滑型。
改性環(huán)氧高分子材料耐候性好,UV老化測試15周,強(qiáng)度和斷裂伸長率的降低不明顯,強(qiáng)度保持在13~14 MPa,斷裂伸長率保持在30%~40%,強(qiáng)度和斷裂伸長率明顯強(qiáng)于國外同類型競品。
探索了不同改性固化劑用量和不同填料用量對(duì)該環(huán)氧高分子材料的性能影響,結(jié)果表明該環(huán)氧高分子材料對(duì)固化劑用量以及填料容納度高,配方設(shè)計(jì)性強(qiáng);在很寬的范圍內(nèi)均具有穩(wěn)定的性能。
該高性能環(huán)氧高分子材料耐磨耐用,附著力好,防滑效果佳,耐候性優(yōu)異,性能穩(wěn)定,有望作為戶外地面材料使用。特別是作為全民健身場地地面材料,具有傳統(tǒng)聚氨酯和丙烯酸材料不具備的特點(diǎn),有望在全民健身領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。