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绿色环境友好型水性环氧地坪涂料成膜性能影响因素探讨,采用水性环氧乳液、水性环氧固化剂、无重金属颜填料等环境友好型原材料作为水性环氧地坪涂料的成膜物质,中国建材网,cnprofit.com
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绿色环境友好型水性环氧地坪涂料成膜性能影响因素探讨,采用水性环氧乳液、水性环氧固化剂、无重金属颜填料等环境友好型原材料作为水性环氧地坪涂料的成膜物质
2019年09月28日    阅读量:444    新闻来源:中国建材网 cnprofit.com  |  投稿

0 前 言
环氧地坪涂料由于具有易施工、整体无缝、美观耐用等特点,在不同行业和领域获得广泛地应用。随着近年来绿色、环保、健康理念日益深入人心,国家相关环保法规逐渐健全,绿色环境友好型环氧地坪涂料将成为未来市场主流。


当前对绿色环境友好型涂料的要求主要表现在:在涂料配方设计时就要充分考虑产品全生命周期的资源属性、环境属性、能源属性、品质属性等各种综合性能,一方面,在涂料的配方设计、生产、使用过程中减少挥发性有机物的用量,减少有机物挥发所造成的环境危害;另一方面,减少涂料中有害物质含量,如减少可溶性重金属含量、芳香胺、壬基酚等有害物质的应用,避免在生产、施工和长期使用过程中对人体造成健康危害中国建材网cnprofit.com


因此气味小,不含甲苯、二甲苯等挥发性有机溶剂、不含可溶性重金属等有害物质的无溶剂环氧地坪涂料和水性环氧地坪涂料成为绿色环境友好型地坪涂料的首选。无溶剂环氧地坪涂料一般黏度较大,施工应用具有一定的局限性,且低温时黏度变大,涂膜流动、流平性较差,容易造成气泡残留、缩孔、鱼眼、滚痕残留等缺陷;而水性环氧地坪涂料黏度可调节控制,且基于绿色环保理念行业客户认知度较高,因此开发一种绿色环境友好型水性环氧涂料具有较好的现实意义。


本文依据《绿色产品评价 涂料》(GB/T 35602—2017)、《建筑类涂料与胶粘剂挥发性有机化合物含量限值标准》(DB 11/3005—2017)、《地坪涂装材料》(GB/T22374—2018)的要求,开发了一种绿色环境友好型水性地坪涂料,重点探讨了低温下成膜助剂用量、乳液与固化剂配比及外界温湿度环境对水性环氧地坪涂料涂膜性能的影响,为后续读者与业内科研人员提供一定理论参考。

1 实验部分
1.1 主要原料
水性环氧固化剂、水性环氧乳液,荷兰QR Polymers;成膜助剂,陶氏化学;颜填料(不含重金属),南京;润湿分散剂、基材润湿剂,毕克;消泡剂、流平剂,迪高;去离子水,自制。
1.2 实验仪器
电子天平,TC3K,常熟市双杰测试仪器厂;QXD刮板细度计,上海魅宇仪器设备有限公司;BGD516智能光泽仪,广州标格达实验仪器用品有限公司;砂磨机,QSM-Ⅱ型,天津市科联材料实验机有限公司;高速搅拌机,SDF,上海维特电机有限公司。
1.3 基础配方
根据地坪涂料各项性能要求,综合实验数据,并结合多次模拟实际施工,确定了水性环氧地坪涂料基础配方,具体如表1所示。
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1.4 涂料制备工艺
将水性环氧固化剂、去离子水、成膜助剂、润湿分散剂、消泡剂以及颜填料先用高速分散机分散均匀,然后用砂磨机研磨至细度≤30 μm后过滤,并按照配方比例加入增稠剂、流平剂和基材润湿剂高速搅拌均匀,即得到水性环氧地坪涂料A组分;B组分为水性环氧乳液。
1.5 涂料及涂膜性能检测
根据上述基础配方及工艺制备水性环氧地坪涂料,制备的涂料样品按照《绿色产品评价 涂料》(GB/T35602—2017)、《建筑类涂料与胶粘剂挥发性有机化合物含量限值标准》(DB 11/3005—2017)、《地坪涂装材料》(GB/T 22374—2018)标准中对水性地坪涂料有害物质限量的要求,综合几个标准中最严要求内容,检测涂料中的有害物质含量,检测项目、检测指标、检测结果和检测方法如表2所示。
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涂料的涂膜性能检测样板根据GB/T 22374—2018中水性地坪涂料指标及检测方法制备,样板养护条件温度(23±2) ℃、相对湿度(50%±5%),养护7 d后进行涂膜的性能检测。具体检测结果和检测指标如表3所示。
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2 结果与讨论
2.1 原材料的选择
对于绿色环境友好型地坪产品,在标准《绿色产品评价 涂料》(GB/T 35602—2017)中有明确的定义与要求,其中最主要的是针对涂料中有害物质的添加、可挥发性有机化合物(VOC)的含量、可溶性重金属含量等有均严格的限制标准;为推进京津冀协同发展战略制定的《建筑类涂料与胶粘剂挥发性有机化合物含量限值》(DB 11/3005—2017)标准中同样明确了水性环境友好型涂料中有害物质的限制标准;另外,在雄安新区的建设中,由住建部主导提出并制定的适用于树脂地坪材料的绿色建涂评价标准(T/CECS 1000X—XXXX),对绿色地坪材料提出了明确的分级标准及限制。
综合以上这些标准限制,在制备绿色环境友好型水性环氧地坪涂料过程中,需要对水性环氧固化剂、乳液、助剂、助溶剂、颜填料等进行严格的筛选,筛选方法及测试结果按照表2中要求进行,具体筛选结果如表4所示。
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从表4原材料筛选结果中可以看出,采用筛选后的原材料符合绿色环境友好型涂料用原材料要求。表2的检测结果也证明基于实验配方制备的涂料中可挥发性有机化合物、有害物质与重金属含量也均符合国家绿色涂料标准要求,从环境属性与涂料品质要求来看,该水性环氧地坪涂料是一款绿色环境友好型的水性地坪涂料。
2.2 成膜助剂对水性环氧地坪涂料低温成膜性能的影响
环氧粒子与固化剂反应的完全程度决定了涂膜的光泽、耐水性、耐化学品等性能。涂膜固化完全,则这几项性能表现优异,反之则性能较差。
据研究表明,水性环氧树脂体系的固化是由固化剂分子首先和环氧树脂分散相粒子的表面接触发生交联固化。随着固化反应的进行,乳胶粒的界面黏度和环氧树脂的玻璃化温度逐渐增大,粒子表面会形成相对粒子内部较硬的界面壳,该界面壳会阻碍固化剂向环氧树脂分散相粒子内部的扩散,导致粒子内部固化较其表面少,交联密度低,最终反应后并非所有的环氧基都有机会与固化剂的活化基团作用。而成膜助剂可以降低涂膜的最低成膜温度(MFT),调节涂料体系黏度,增加环氧乳液与固化剂的相容性,有利于环氧分散相粒子与固化剂接触固化,改善涂料的低温成膜性[2],增加环氧粒子与固化剂的反应程度,从而提高涂膜的最终性能。
成膜助剂的用量不同,对涂膜性能影响也有所差异,实际应用中需对成膜助剂用量进行筛选,对比实验成膜助剂的不同用量对水性环氧涂料成膜性能的影响,选取最佳用量。基于本文上述配方,控制水性环氧乳液和水性环氧固化剂添加量保持不变,设计6种不同成膜助剂添加量对比实验,具体实验方案如表5所示。对制备的涂料进行制板养护,养护温度为10℃(该温度下涂料成膜差异性较大),对制备的涂层进行光泽、耐水性、耐化学品性等性能测试。
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图1为6种实验方案在环境温度较低时(10 ℃)制备涂层的光泽度测试结果。
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从图1可以看出,环境温度较低时,不加入成膜助剂的方案光泽度仅有10%左右;而随着成膜助剂的加入,涂膜光泽度逐渐升高,基本呈线性增长趋势;至添加量到达方案4时,光泽度趋于稳定,维持在90%左右。这是因为当环境温度低于涂料的最低成膜温度时,随着混合相水分的蒸发,聚合物粒子仍处于一种相对离散的状态,没有有效形成连续均一的膜,最终表现为涂膜的光泽较低,而加入一定量的成膜助剂后,降低了涂膜的最低成膜温度,并且成膜助剂可以加强乳液与固化剂的相容性,在温度较低时,涂膜仍可以形成连续均匀的涂膜,表现为光泽度升高。对6种实验方案涂层进行耐水性、耐酸性、耐碱性测试,具体测试结果如表6所示。
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从表6可以看出,环境温度(10 ℃)较低时,不添加或少量添加成膜助剂涂层会出现起泡现象;而随着成膜助剂添加量的提高,涂层的耐受性也得到提高;但是当添加量超出一定范围后,涂膜耐受性并未继续提高,反而会发生降低现象。这是因为当成膜助剂用量在合适的范围内时,会有效降低涂膜成膜温度,进而提高涂层中交联密度,涂层的耐受性也随之提高。当成膜助剂过量时,部分成膜助剂会在固化过程中残留在涂层里,降低涂膜的耐水性、耐酸碱性能;并且成膜助剂作为一种可挥发性有机溶剂,过量添加时,将会超出绿色涂料环保标准要求,也会提高涂料配方的成本。
综上所述,添加成膜助剂可以显著提高涂料的交联情况,对交联后涂层的光泽、耐水性、耐化学品性等性能有着较大的提升。基于本实验配方,当成膜助剂添加量为4%时,涂料的低温成膜性能最优,且满足绿色涂料环保要求。


2.3 环氧固化剂与环氧乳液的配比对涂膜性能的影响
环氧涂料固化理论上应该是一个活化氢分子和一个环氧分子反应,但在水性环氧涂料固化过程中,涂膜的交联固化是由固化剂的扩散过程控制的,固化剂分子首先会和环氧分散相的表面交联固化,这会提高界面黏度和玻璃化温度,从而会影响固化剂的扩散速率。随着分散相粒子界面的黏度和玻璃化温度的继续提高,必然会影响固化剂进一步深入水性环氧分散相粒子中,最终导致粒子内部有部分未参与固化反应或交联反应程度低,影响涂膜性能[3]。因此,实际应用中,环氧固化剂与环氧乳液的配比需要经过实验对比,从而确定最佳的配比组合。
设计4种不同环氧基团与胺氢当量比例实验方案,对制备的涂层进行柔韧性、耐冲击性、光泽度、耐磨性、耐化学品性等性能测试,具体实验方案及测试结果如表7所示。
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从表7中可以看出,当环氧基团与胺氢当量比例为1∶0.8时,环氧基团过量,涂层不能完全交联反应,残留的环氧基团上浮至涂层表面,出现油面现象,同时由于涂层交联密度较低,涂层的耐磨性及耐性较差;当环氧基团与胺氢当量比例为1∶1.4时,胺氢当量过量,涂层耐磨性虽然有所提高,但因涂层中残留过多亲水性的固化剂,涂膜耐水性、耐化学腐蚀性能较差;而当环氧基团与胺氢当量比例相同时,理论上二者可以完全交联反应,但是固化剂分子在反应后期扩散受阻,致使涂层并不能完全交联反应,因此胺氢当量添加量需比理论含量稍高。最终通过实验对比,确定本实验涂料的环氧值和胺氢当量比值在1∶1.2左右时,涂层性能最佳。
2.4 温度、湿度对水性环氧地坪涂料涂膜性能影响
除了配方中原材料对涂料成膜后涂层性能影响因素较大,外界环境因素如温度、湿度等对涂膜水分的挥发与固化反应速度都有影响,这使得水性涂料在施工时的环境温度、相对湿度和通风等条件的控制比溶剂型环氧涂料更严格,因此实际应用过程中考量外界环境对涂层成膜的影响。表8为不同温湿度条件下水性环氧地坪涂料的成膜状态。
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由表8中可知,当环境温度低、相对湿度小的情况下,涂膜反应效率较低,可以加入成膜助剂调整,如前文2.2所述。随着温度升高,涂膜性能趋于正常,但环境温度较高、相对湿度较小时,涂膜中的水分挥发速度增加,涂膜干燥速率过快,影响涂膜正常消泡、流平,涂膜中则会出现气泡残留并且会出现凹坑、流平差等缺陷。
环境中相对湿度较大,空气中水分趋于饱和,水的挥发速度小于固化速度,涂膜固化后,会有部分水分没有跑出而停留在涂膜内部,从而影响最终涂膜性能。如在清漆中涂膜则会发白,色漆中会出现失光、涂膜发软、硬干较慢等缺陷,因此施工时应严格控制施工条件,相对湿度控制在20%~65%,温度在10~30 ℃范围内,且要保持良好的通风,才可以确保涂膜正常。

3 结 语
GB/T 35602—2017《绿色产品评价 涂料》、DB11/3005—2017《建筑类涂料与胶粘剂挥发性有机化合物含量限值标准》、GB/T 22374—2018《地坪涂装材料》标准中对水性地坪涂料有害物质限量的要求,通过对水性环氧乳液、环氧固化剂、颜填料、助剂等的筛选,严格控制配方中的有害物质含量,成功制备了一种绿色环境友好型水性环氧地坪涂料,涂料符合用于雄安新区建设的绿色建涂评价-树脂地坪标准(T/CECS1000X—XXXX)中的三星级绿色涂料要求。在对涂料成膜过程中通过实验对比发现,成膜助剂用量、环氧乳液与固化剂比例及外界环境条件均对水性环氧地坪涂料成膜后性能有所影响,得出以下几点结论:
(1)环境温度(10 ℃)较低时,配方中可以加入4%成膜助剂,涂料的低温成膜性能最佳。
(2)采用水性环氧乳液与水性环氧固化剂为主体,环氧基与胺氢当量配比为1∶1.2时,配方涂料的涂膜性能最佳。
(3)实际施工过程中,保持良好的通风,相对湿度控制在20%~65%,温度在10~30 ℃范围内时,涂膜可以正常干燥固化。



绿色环境友好型水性环氧地坪涂料成膜性能影响因素探讨
范栋岩,焦辉军,杨 宁,赵常永
(石家庄市油漆厂,石家庄 050004)

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