张虎，张伶俐，陈博远，李国荣，廖昔虬，纪凤龙
( 广州秀珀化工股份有限公司，广州511495)
聚脲是基于聚氨酯双组分涂料研制开发的一种新型无溶剂、无污染的涂料，具有可喷涂、快速固化、强度高、延展性好、防水、耐磨等特点。由于材料本身具有许多优异的理化性能，对环境温度、湿度有很强的容忍度，已在防水、防腐、地坪等领域得到了广泛应用［1-2］。聚脲的反应速度非常快，从几秒到几十秒不等，所以对基材的浸润时间短，附着力差，导致涂层与基材之间容易剥离脱落［3-4］。
因此，有必要开发一种优异的底漆以抵抗混凝土的弱碱性，并封闭基材表面，避免聚脲涂层出现附着力失效、鼓泡、针孔等不良漆膜现象; 同时起搭桥过渡作用，提高聚脲涂层与混凝土基材的粘结强度，增加层间附着力，进而提高耐剥离性能。
本研究主要以环氧树脂为成膜物质，采用蓖麻油、硅烷等单体物理改性，添加适量助溶剂制成高固含量的环氧聚脲底漆，用高活性环氧固化剂固化，既可薄涂又可制成砂浆漆找平用，其中除水蓖麻油在固化过程中与基材、聚脲形成桥接网络，使底漆、基材、聚脲3 者之间拥有良好的附着力和耐剥离性能。
1 试验
1. 1 主要原料
实验主要原材料见表1。
原材料
注: E20( 75%) 、E44( 100%) 、E51( 100%) 中括号里数字表示固含量，下同。
1. 2 底漆的制备
蓖麻油的除水: 将蓖麻油加入到三口烧瓶中，升温至95 ～ 100 ℃，开启抽真空装置，除水1 h，关掉抽真空装置，冷却至40 ～ 50 ℃，出料装罐待用。
将环氧树脂加入到容器中，添加除水的蓖麻油、硅烷偶联剂、二甲苯等，高速搅拌30 min，混合均匀出料待用，标记为A 组分。
按照一定质量比称取A 组分与环氧固化剂B 组分混合均匀，涂刷在干燥的混凝土和马口铁( 测试底漆的耐介质性时用) 上，室温固化; 待底漆干燥后，按照一定质量比称取A、B 组分，添加中砂搅拌均匀，找平混凝土基材表面，干燥后喷涂聚脲涂料，养护7 d 后测试基本相关性能。
1. 3 性能测试
试验混凝土试块，表面无浮浆和油污，抗压强度＞ 40 MPa，经过底漆处理后喷涂聚脲( 2 ± 0. 2) mm，在室温条件下放置5 d 后，用合适的胶粘剂粘结金属拉拔接头，7d 后进行拉拔测试。
马口铁上的附着力测定参照GB /T 1720—1979( 1989) ; 混凝土上的附着力测定参照ASTM D4541;柔韧性测定参照GB /T 1731—1993; 耐冲击性测定参照GB /T 1732—1993; 耐碱性测试参照GB /T 9274—1988; 聚脲涂料的喷涂参照GB /T 23446—2009; 耐剥离性的测试参照GB /T 2792—1998; 表干时间、实干时间参照GB /T 1728—1979( 1989) ; 黏度测试参照美国ASTM D2196《用旋转黏度计( Brookfield) 测定非牛顿材料的流变性》。
2 结果与讨论
2. 1 环氧树脂种类的选择
环氧树脂中含有的羟基及醚键，对基材具有优异的附着力; 同时，环氧树脂分子链上的羟基与基材产生的氢键提升了附着力; 如果参与漆膜固化，形成网状的三维结构具有优异的耐化学介质性能; 此外，树脂主链上的醚键有利于分子旋转，故具有一定的柔韧性。目前常见的环氧树脂是E20、E44、E51 3 种，采用二甲苯稀释至合适的黏度，按照底漆组分A、B 的质量比为2. 5∶ 1施工，室温自干( 以下同) ，其主要性能测试数据见表2。
表2 环氧树脂种类对漆膜性能的影响
表2 的结果表明，随着环氧树脂的环氧值升高，柔韧性变差，在混凝土基材上的附着力先上升后下降，主要是因为环氧值越多，形成了高交联密度的三维网状结构，导致应力过于集中; 环氧树脂的芳环结构赋予漆膜较高的强度。考虑E20 相对分子质量大、黏度大，需要添加大量二甲苯作为溶剂，不利于环保; E51 相对分子质量太小固化成膜后硬、脆; E44 性能适中，因此，选择E44 作为底漆的主体树脂。
2. 2 增韧剂的选择
环氧树脂在固化剂存在下，获得的固化产物是具有较高交联密度的三维网状结构体，具体表现为刚性有余，脆性十足，在外力的冲击下会因形变及应力而开裂，柔韧性不足还会影响附着力。聚脲是一种弹性涂料，要求底漆具有一定的柔韧性，因此有必要添加合适的增韧剂进行改性，改善漆膜的柔韧性。
考虑到聚脲涂层的特殊性，充当增韧剂的物质含有可与—NCO反应的基团最适宜。蓖麻油含有—OH 和—COOH可以提高附着力，且是长链碳化合物，具有一定的柔韧性，故采用除水蓖麻油作为环氧树脂的增韧剂［5-6］，本研究主要考查了除水蓖麻油不同添加量对漆膜性能的影响，实验数据见表3。
表3 结果表明，添加除水蓖麻油，改善了漆膜的柔韧性; 蓖麻油中的羟基对碱稳定，所以漆膜耐碱性较好。随着蓖麻油的用量从0 提高10%，附着力上升，剥离强度增大，主要原因是蓖麻油中的部分羟基与基材产生强氢键提高了附着力，同时部分—OH与聚脲层中残余的—NCO反应，起到桥接作用，进一步提高了附着力。
当除水蓖麻油用量达到15%时，附着力下降，剥离强度变差，是由于除水蓖麻油过多，与主树脂相容性变差，降低了内聚强度; 且聚脲的—NCO大部分是参与聚脲反应，残留—NCO含量有限不足以反应掉多余的—OH，其桥接机理如图1 所示。综合考虑漆膜性能，除水蓖麻油添加量为5% ～10%较适宜。
蓖麻油桥接机理
2. 3 偶联剂的选择
硅烷偶联剂作为增粘剂的作用原理在于它有2 种基团; 一种基团可以和被粘的骨架材料结合; 另一种基团则可以与高分子材料或粘接剂结合，从而在粘接界面形成较强的化学键，大大改善粘接强度［7］。考虑到环氧树脂在基材上表面张力过高，容易导致漆膜弊病，添加硅烷偶联剂可提高润湿性、降低表面能，提高界面层的粘合。兼顾环氧树脂的相容性，选择道康宁的DC6040 环氧基附着力促进剂，添加量为道康宁公司的推荐用量0. 5% ～1. 5%。
2. 4 不同固化剂配比的影响
研究了底漆A 组分与固化剂B 组分的质量比对漆膜性能的影响，结果如表4 所示。
底漆A 与固化剂B 不同配比对漆膜性能的影响
由表4 可以看出，在一定范围内，固化剂用量的增加，环氧基与固化剂的氨基官能团反应机率增加，形成了空间网状结构，使漆膜的附着力、柔韧性、硬度提高。固化剂用量过小，交联密度不够，导致漆膜的硬度、柔韧性变差; 当固化剂用量过大时，氨基残留多，形成的漆膜硬而脆、耐冲击性差。试验表明: A 组分与B 组分的质量比为2. 5∶ 1 ～ 3∶ 1时，所得漆膜的综合性能良好。
2. 5 施工间隔对漆膜性能的影响
根据广州秀珀在工程应用的实例反馈得知，聚脲底漆的施工时间是一个关键的因素。施工间隙过短或过长，喷涂聚脲之后容易导致层间附着力不良，易剥离。主要是由于剥离力与聚脲涂层成180°，应力作用在一条直线上，容易产生应力集中现象，导致耐剥离性能不佳。因此，本研究以混凝土为基材，对底漆、中层漆与喷涂聚脲之间的施工时间间隔进行了一系列相关的实验，实验结果见表5。
由表5 可以看出，第1 道底漆与砂浆找平层的时间间隔是关键，应在底漆干燥3 ～ 20 h 内刮涂砂浆层，喷涂聚脲的时间间隔为20 d 左右，涂层所获得剥离性能仍较为优异，克服了市场上的聚脲专用底漆必须在表干后24 h 内施工的局限。其原因是底漆中蓖麻油的羟基与基材及聚脲之间融合为一体，起到增韧的作用，改善了环氧底漆的应力过于集中的弊病; 且硅烷产生的羟基与基材产生了强附着力，其链端环氧基与固化剂反应，保证了合适的交联密度所致。
2. 6 产品的对比
将自制的底漆与市售产品进行性能对比，结果见表6。
涂料产品对比性测试
由表6 可以看出: 自制底漆附着力及适用期优于市售产品，但表干速度略慢。
3 结语
( 1) 采用蓖麻油改性的环氧底漆作为涂层体系底涂层，克服了聚脲涂料因快速成型而在基材上润湿不充分、附着力差的缺点，显著提高了聚脲涂层体系与基材的附着强度，同时底漆的耐碱性良好。
( 2) 蓖麻油首次引入环氧树脂底漆作为增韧剂用，在体系固化过程中与基材、聚脲涂层形成了桥接网络，增加了附着强度，进而提高了耐剥离性能，同时也降低了涂层的线性应力及其涂料成本。
( 3) 自制底漆的最优配方是: 环氧树脂E44 65%～ 75%，除水蓖麻油5% ～ 10%，偶联剂0. 5% ～1. 5%，二甲苯20% ～ 25%，A 组分与固化剂B 组分的质量比为2. 5∶ 1 ～ 3∶ 1。
文章发表于《涂料工业》2012年11月
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