朱云升 黃良略 劉承錕 于羅賓 曾祥玉

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)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(shù)是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ臑r青路面降溫技術(shù)[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(nèi)部溫度，延緩車(chē)轍病害的發(fā)生.環(huán)氧樹(shù)脂力學(xué)性能良好，附著力、耐磨性、耐腐蝕性等性能優(yōu)良，可用作熱反射涂層的成膜基料[2-6]，但環(huán)氧樹(shù)脂交聯(lián)密度大，導(dǎo)致環(huán)氧類(lèi)熱反射涂料固化后脆性大，韌性小，因此，有必要增強(qiáng)其韌性，提升熱反射涂層的路用性能.橡膠彈性體、熱塑性樹(shù)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(huán)氧樹(shù)脂[7-9]，從現(xiàn)場(chǎng)施工可操作性以及經(jīng)濟(jì)性考慮，文中在使用韌性固化劑增韌的同時(shí)，共混液體硅膠，以改善環(huán)氧類(lèi)熱反射涂層的韌性，并研究了液體硅膠對(duì)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(yàn)涂料的制備

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1成膜基料

丙烯酸樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂、聚氨酯樹(shù)脂、有機(jī)硅樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、有機(jī)氟樹(shù)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(píng)價(jià)體系的基礎(chǔ)上，選出性能評(píng)價(jià)結(jié)果較好的環(huán)氧樹(shù)脂作為成膜基料，固化劑選用胺類(lèi)固化劑，其基本性能見(jiàn)表1～2，胺類(lèi)固化劑與環(huán)氧樹(shù)脂固化過(guò)程[10]見(jiàn)圖1.

表1 環(huán)氧樹(shù)脂基本性能表

表2 固化劑基本性能表

圖1 胺類(lèi)固化劑與環(huán)氧樹(shù)脂固化過(guò)程

1.1.2顏填料

顏填料是路用熱反射涂層實(shí)現(xiàn)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(guò)添加輔助性填料可實(shí)現(xiàn)較好的降溫性能.本文選用金紅石型鈦白粉和空心微球?yàn)轭佁盍?，其基本性能?jiàn)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(jié)團(tuán)，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(huán)氧樹(shù)脂中所產(chǎn)生的空間屏蔽，來(lái)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(huán)氧樹(shù)脂中.

1.1.4液體硅膠

液體硅橡膠屬于高溫硫化橡膠的類(lèi)別，膠凝后呈彈性體，但其膠凝行為類(lèi)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(jìn)行固化，對(duì)環(huán)境依賴(lài)度較高，涂層涂刷較厚時(shí)，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(guò)程見(jiàn)圖2[12].采用雙組份液體硅膠作為填料，其基本性能見(jiàn)表5.

圖2 雙組份液體硅膠固化過(guò)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(chēng)取AB組份的液體硅膠，使用玻璃攪拌棒攪拌均勻后，加入環(huán)氧樹(shù)脂，采用低速攪拌機(jī)攪拌均勻后，加入鈦白粉、空心微球，并使用剪切機(jī)剪切15 min，以保證鈦白粉能均勻地分散在硅膠-環(huán)氧樹(shù)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(jī)攪拌均勻.熱反射涂料配方見(jiàn)表6.

表6 路用熱反射涂料配方表

2 試驗(yàn)方法

2.1 涂料黏度測(cè)試方法

涂料黏度采用便攜式涂4杯進(jìn)行測(cè)試，具體操作見(jiàn)GB/T 1723-93《涂料黏度測(cè)定法》，并對(duì)測(cè)得的涂料流出時(shí)間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(shí)間；υ為運(yùn)動(dòng)黏度.

2.2 涂層光澤度測(cè)試方法

采用60°角光澤度儀測(cè)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(yǎng)生24 h后，作為光澤度測(cè)試樣片.測(cè)試前，先對(duì)光澤度儀進(jìn)行校核，校準(zhǔn)后，隨機(jī)在涂層樣片上選取3處進(jìn)行測(cè)試，以其平均值作為涂層光澤度值.

2.3 涂層沖擊強(qiáng)度測(cè)試方法

采用沖擊試驗(yàn)機(jī)，并按照GB/T 1732—1993《漆膜耐沖擊測(cè)定法》的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)測(cè)試.

2.4 涂層耐磨性測(cè)試方法

參照GB/T 1768—1989《漆膜耐磨性測(cè)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(zhuǎn)盤(pán)上并固定，然后加壓，開(kāi)啟開(kāi)關(guān).轉(zhuǎn)盤(pán)先轉(zhuǎn)動(dòng)50 r，進(jìn)行試件表面預(yù)磨平，預(yù)磨平完成后，取下試件，掃去碎屑，稱(chēng)取初重.正式測(cè)試時(shí)，采用300磨耗轉(zhuǎn)數(shù)，試驗(yàn)停止后，取出樣片，再次稱(chēng)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(cè)試方法

采用車(chē)轍板為承載板制作試驗(yàn)樣板，并在車(chē)轍板20 mm處埋設(shè)溫度探頭，以方便采集車(chē)轍板20 mm處的溫度.使用打孔機(jī)在車(chē)轍板中心打孔，將溫度探頭埋設(shè)在距測(cè)試面20 mm的位置后，填充冷補(bǔ)料，并壓實(shí)；然后在測(cè)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(cè)試樣板周?chē)垡蚁┡菽澹员苊庠囼?yàn)板內(nèi)部與外界發(fā)生熱交換.選擇晴朗無(wú)風(fēng)的天氣，將涂刷涂料的試驗(yàn)樣板以及未涂刷涂料的車(chē)轍板放置在太陽(yáng)下照射2 h，并記錄兩車(chē)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(cè)試方法

涂刷在車(chē)轍板上的涂料固化后，將車(chē)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(chē)轍板放入-18 ℃冷凍箱中3 h，然后從冷凍箱內(nèi)取出，放入(70±2) ℃烘箱中，恒溫3 h，以此為1個(gè)循環(huán).以出現(xiàn)開(kāi)裂、剝落、起泡等不良現(xiàn)象的循環(huán)次數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)熱反射涂層的耐凍融性.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 液體硅膠對(duì)涂料運(yùn)動(dòng)黏度的影響

路用熱反射涂料多采用固體填料來(lái)降低涂層的光澤度，用作消光的固體填料由于密度小、質(zhì)量輕，少量的添加會(huì)極大的增加涂料的黏度，涂料黏度過(guò)大，不僅導(dǎo)致涂刷困難，而且涂料中固體填料結(jié)團(tuán)嚴(yán)重，一般控制涂料涂刷運(yùn)動(dòng)黏度不超過(guò)300 mm2/s.本文選用OK412型消光粉和液體硅膠進(jìn)行黏度對(duì)比試驗(yàn)，為避免試驗(yàn)中涂料運(yùn)動(dòng)黏度超過(guò)300 mm2/s，將表1中稀釋劑用量增至15 g.本文以涂層達(dá)到亞光時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度值為依據(jù)，按照2.1和2.2測(cè)試方法進(jìn)行涂層光澤度和黏度測(cè)試，不同消光粉和液體硅膠添加量下的涂料運(yùn)動(dòng)黏度和固化后的光澤度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7～8.

表7 添加液體硅膠的熱反射涂料運(yùn)動(dòng)黏度值及光澤度值

表8 添加消光粉的熱反射涂料運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)黏度均呈遞增趨勢(shì).當(dāng)涂層呈現(xiàn)亞光(光澤度值<30 GU)時(shí)，添加消光粉的涂料運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(duì)涂料的增稠效果要小于消光粉，調(diào)節(jié)涂料運(yùn)動(dòng)黏度時(shí)，可減少稀釋劑的用量.

3.2 液體硅膠對(duì)涂層光澤度的影響

涂層光澤度表征涂層對(duì)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(huì)引起駕駛員炫目，增加交通事故率，因而，需對(duì)涂層進(jìn)行消光處理，以保證涂層低光澤度.對(duì)涂層消光，即破壞涂層表面的光滑性，增加其微觀粗糙度來(lái)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(xiàn)出來(lái)，本文按表1中涂料配比進(jìn)行樣片制作，數(shù)碼相機(jī)拍照后，利用MATLAB進(jìn)行圖像灰度處理，提取灰度圖像的坐標(biāo)和灰度進(jìn)行三維模型重構(gòu)，以編號(hào)1和編號(hào)6樣片為例，其重構(gòu)后的三維模型見(jiàn)圖3.同時(shí)，利用灰度圖像中的坐標(biāo)灰度矩陣Z對(duì)粗糙程度進(jìn)行數(shù)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(gè)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(gè)數(shù)M，即得到A=S/M，數(shù)字A即可表示涂層的粗糙程度，A越大說(shuō)明涂層越粗糙.對(duì)編號(hào)1～9樣片分別提取灰度圖像的坐標(biāo)矩陣進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9.對(duì)按表1配比所制備的熱反射涂層樣片進(jìn)行光澤度測(cè)試.涂層光澤度隨液體硅膠添加量的變化曲線見(jiàn)圖4.

圖3 圖片重構(gòu)后三維模型

表9 路用熱反射涂層表面粗糙度計(jì)算值匯總表

根據(jù)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(shí)，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(shí)，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?yàn)橐后w硅膠是一種分子鏈兼具有機(jī)和無(wú)機(jī)性質(zhì)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(shí)側(cè)鏈上的碳?xì)浠鶊F(tuán)或取代碳?xì)涞挠袡C(jī)基團(tuán)不活潑，與環(huán)氧樹(shù)脂上的環(huán)氧基、羥基等活性基團(tuán)幾乎不發(fā)生反應(yīng)，硅膠側(cè)鏈上的碳?xì)浠鶊F(tuán)或取代碳?xì)涞挠袡C(jī)基團(tuán)與環(huán)氧樹(shù)脂上的環(huán)氧基、羥基等活性基團(tuán)也幾乎不親和，因而液體硅膠與環(huán)氧樹(shù)脂不相容，在硅膠-環(huán)氧樹(shù)脂體系固化過(guò)程中硅膠相和環(huán)氧相出現(xiàn)相分離，導(dǎo)致固化后各自呈現(xiàn)自己的相區(qū).液體硅膠不超過(guò)16%時(shí)，以環(huán)氧相為主，固化后的環(huán)氧樹(shù)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(huán)氧樹(shù)脂表層粗糙度增大；液體硅膠超過(guò)16%時(shí)，硅膠相占優(yōu)，分離出較多的硅膠相反而使環(huán)氧樹(shù)脂表層光滑，粗糙度降低,見(jiàn)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(dāng)液體硅膠添加量為10%時(shí)，涂層光澤度達(dá)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(shí)，涂層光澤度為31，升高29.2%.這是因?yàn)橥繉颖碛^粗糙度與涂層光澤度呈反比關(guān)系，涂層粗糙度值越大，其光澤度越低.

3.3 液體硅膠對(duì)涂層沖擊強(qiáng)度的影響

環(huán)氧樹(shù)脂固化后交聯(lián)密度大，分子鏈實(shí)現(xiàn)自由滑動(dòng)困難，導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂成膜物脆性大.硅膠膠凝后呈現(xiàn)彈性，可在一定程度上改善環(huán)氧類(lèi)涂層的韌性.文中采用沖擊強(qiáng)度作為涂層韌性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體測(cè)試方法見(jiàn)2.3，不同液體硅橡膠添加量的涂層沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5.

圖5 不同液體硅橡膠添加量的涂層沖擊強(qiáng)度

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

3.4 液體硅膠對(duì)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(cè)試方法按照2.4進(jìn)行，不同液體硅膠添加量下的磨耗損失量測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖6.同時(shí)，在瀝青路面上涂刷了試驗(yàn)塊，6個(gè)月后的磨損狀況見(jiàn)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(shí)際磨損情況

根據(jù)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(yōu)，因而涂層磨耗損失量逐漸減少.

3.5 液體硅膠對(duì)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(nèi)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(chē)轍”病害.顏填料的折光系數(shù)、成膜基料的導(dǎo)熱系數(shù)、涂層光澤度等均能影響熱反射涂層的實(shí)際降溫效果.為消除光澤度的影響，本文按照2.5制作試驗(yàn)樣板時(shí)，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(cè)試方法進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，其涂層表面以及車(chē)轍板20 mm處的降溫值測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8.

圖8 涂層表面以及車(chē)轍板20 mm處的降溫值

液體硅膠添加量不同導(dǎo)致硅膠-環(huán)氧樹(shù)脂二元混合體導(dǎo)熱系數(shù)不同.硅膠-環(huán)氧樹(shù)脂體系屬非水混合物，可用“串聯(lián)”或“混聯(lián)”理想模型計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)，“串聯(lián)”和“混聯(lián)”計(jì)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(dǎo)熱系數(shù);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(dǎo)熱系數(shù).

本文采用精度較高的“串聯(lián)”模型進(jìn)行硅膠-環(huán)氧樹(shù)脂二元混合體導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算，其中環(huán)氧樹(shù)脂的導(dǎo)熱系數(shù)為0.2，硅膠的導(dǎo)熱系數(shù)為0.27，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表10.

表10 硅膠-環(huán)氧樹(shù)脂二元混合體導(dǎo)熱系數(shù)匯總表

由圖8可知，液體硅膠的添加對(duì)熱反射涂層的降溫值幾乎無(wú)影響.根據(jù)表10，雖然硅橡膠的添加可導(dǎo)致硅膠-環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)熱系數(shù)的增大，但增加不顯著，因而，液體硅膠對(duì)熱反射涂層降溫效果的影響不顯著.

3.6 液體硅膠對(duì)涂層耐凍融性的影響

涂層的耐凍融表征涂層對(duì)冷熱交替變化的承受能力.涂層在經(jīng)受溫度、濕度的驟然變化后，性能在一定程度上會(huì)發(fā)生變化.用于熱反射涂層耐凍融性測(cè)試的樣板按2.5制備，涂層耐凍融次數(shù)測(cè)試參照2.6，其結(jié)果見(jiàn)表11.

表11 不同硅膠添加量涂層的凍融次數(shù)

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(shù)增加，即環(huán)氧類(lèi)熱反射涂層的耐凍融性提高.環(huán)氧類(lèi)熱反射涂層在凍融循環(huán)過(guò)程中，會(huì)發(fā)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(yōu)于環(huán)氧樹(shù)脂，因而，液體硅橡膠的添加可增強(qiáng)環(huán)氧類(lèi)熱反射涂層的耐凍融性.

4 結(jié) 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(shí)，涂層的光澤度小于30GU，處于亞光.以達(dá)到亞光為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，液體硅膠增稠效果小于消光粉.

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

3) 液體硅膠能提升環(huán)氧類(lèi)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(duì)熱反射涂層的降溫性能無(wú)明顯影響.

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

6) 綜合液體硅膠對(duì)熱反射涂層光澤度、沖擊強(qiáng)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%.