孙超杰，苏怀武，李宏伟，李盼盼
(河南蓝翎环科防水材料有限公司, 河南驻马店 463000)
摘要：通过环氧树脂反应来制备冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料，分别探讨了相容剂添加量、养护时间及环氧树脂与固化剂添加量对涂料相容性、耐热性、延伸性及应力松弛等的影响。结果表明，分子链结构由脂肪族环氧化合物和多元醇组成的相容剂可以改善环氧树脂与沥青的相容性，最佳添加量为2~4份；涂料的耐热性与养护时间存在正相关关系；随着A∶B比值的增加，涂料的延伸性及应力松弛均呈现先增大后减小的趋势，当A∶B=1∶1时，涂料的延伸性和应力松弛均可满足JC/T 2428—2017要求，且长期蠕变性能优异。
关键词：冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料；环氧树脂；相容性；耐热性；延伸性；应力松弛；长期蠕变性能
非固化橡胶沥青防水涂料与空气接触长期不固化，始终保持黏稠胶质特性，具有优异的蠕变性、粘结性、自愈性和耐化学腐蚀性等特点，能够有效解决因基层开裂应力对防水层造成破坏的问题及防水层窜水难题[1]，同时可降低防水卷材的施工难度，因此越来越受到防水行业的重视。传统热熔型非固化橡胶沥青防水涂料加热施工时安全事故频发，且随着国家对环保的要求日益提高，冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料已成为非固化橡胶沥青防水涂料的发展方向。目前，冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料制备的一般思路主要是采用橡胶硫化、聚氨酯反应和环氧树脂反应等。本研究从环氧树脂反应方向入手，分别探讨了相容剂添加量、养护时间及环氧树脂与固化剂添加量对冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料相容性、耐热性、应力松弛及延伸性等的影响。
1、实验部分
1.1 主要原材料及仪器设备
1.1.1 主要原材料
70#沥青，山东京博石化有限公司；基础油，沧州柏霖贸易有限公司；橡胶油，山东天旭化工有限公司；SBR，山东高氏科工贸有限公司；SBS，T6302H，独山子石化；蜡粉，南京天诗新材料科技有限公司；环氧树脂E51，中国石化；固化剂，南通润丰石油化工有限公司；相容剂，自制；硅烷偶联剂KH560，南京辰工有机硅材料有限公司。
1.1.2 主要仪器设备
JB 50-D型增力电动搅拌机，上海标本模具厂；HP 550-S型LED数显加热板，大龙兴创仪器；电热鼓风干燥箱，上海昌吉地质仪器有限公司；电子万能拉力机，苏州拓博机械仪器有限公司；DSC300C差示扫描量热仪，南京大展仪器。
1.2 冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料的制备
1.2.1 A组分制备流程
按表1配比向小型反应釜中加入70#沥青、基础油及橡胶油，开启搅拌及加热，转速控制在600~800 r/min，升温至150 ℃时加入SBR，温度维持在150~170 ℃，搅拌40~70 min，使其充分溶解；继续加热至190 ℃，加入SBS，温度维持在185~195 ℃，搅拌60~90 min；加入蜡粉，搅拌20 min后加入滑石粉；然后降温至110~120 ℃加入固化剂、相容剂及硅烷偶联剂，搅拌30 min，制得冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料A组分。
表1 A组分配比
1.2.2 B组分制备流程
按表2配比向小型反应釜中加入环氧树脂，开启搅拌，转速控制在300~500 r/min，升温至50~60 ℃，加入配方量的滑石粉，搅拌30 min后制得冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料B组分。
表2 B组分配比
1.3 性能测试
1.3.1 相容性
通过差示扫描量热法（DSC法）测试冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料的玻璃化转变温度Tg，以Tg表征环氧树脂与沥青的相容性，对于环氧树脂和沥青体系而言，相容性越好，玻璃化转变温度Tg越高。
1.3.2 耐热性
将不同养护时间的试件按照JC/T 2428—2017中的耐热性试验方法进行检测，检测温度以30 ℃为起点，依次升高5 ℃为一组，直至试件产生滑移，取前一次的温度记为该组试验的耐热性结果。
1.3.3 延伸性
将养护72 h后的试件按照JC/T 2428—2017中的延伸性试验方法进行检测，并记录结果。
1.3.4 应力松弛
将养护72 h后的试件按照JC/T 2428—2017中的应力松弛试验方法进行检测，并记录结果。
1.3.5 长期蠕变性能
按不同配比将冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料的A、B组分进行混合，然后进行养护，对比不同养护时间下混合料的蠕变性能，并记录结果。
2、结果及讨论
2.1 相容剂添加量对冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料相容性的影响
本研究制备的冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料采用环氧树脂增强体系，由于环氧树脂的分子组成中含有极性的环氧基团，介电常数约为3.9，而沥青的介电常数约为2.8，是一种弱极性材料[2]，因此必须考虑环氧树脂与沥青的相容性问题。
解决环氧树脂与沥青的相容性问题，一般采用两种方法，一种为物理分散，另一种为化学反应。物理分散主要指采用稀释剂将环氧树脂与沥青从膏状稀释成球状小颗粒，最后通过稀释剂的挥发来增强内聚力，但稀释剂挥发后容易在环氧树脂和沥青之间留下蜂窝状孔洞结构，最终导致两者相解离；化学反应主要是利用一种可以同时与环氧树脂和沥青相容的物质，通过分子链的偶联作用来改善环氧树脂与沥青的相容性。本研究采用添加自制相容剂来改善环氧树脂与沥青的相容性。该自制相容剂分子链结构是由脂肪族环氧化合物和多元醇组成的，分子链中的长碳链可增加与沥青的相容性；同时含有环氧基团，可与固化剂发生交联反应，形成更强更牢固的分子间作用力，以增强环氧树脂与沥青的相容性。采用差示扫描量热法（DSC法）测试冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料的玻璃化转变温度Tg，以Tg来表征环氧树脂与沥青的相容性，以A∶B=1∶1（质量比，下同）进行试验，相容剂添加量对冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料玻璃化转变温度Tg的影响见表3。
表3 相容剂添加量对玻璃化转变温度Tg的影响
从表3可以看出，加入相容剂后冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料的玻璃化转变温度有所升高，说明环氧树脂与沥青的相容性得到了一定的改善，当相容剂的添加量超过4份后改善效果逐渐变弱。综合成本等多方面因素，相容剂的最佳添加量为2~4份。
2.2 养护时间对冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料耐热性的影响
冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料由于施工方式的限制，常温下需呈流动状态，因此A、B组分刚混合时耐热性较差，不满足JC/T 2428—2017的要求，必须通过提升内聚力来保证其耐热性，而环氧树脂作为提升内聚力的主要因素，其反应程度决定了涂料的耐热性。本研究选用目前产量最大、应用最广的双酚A型环氧树脂，牌号为E-51，主要性能指标见表4。
表4 E-51环氧树脂主要性能指标
采用E51环氧树脂，参考基础配方制得冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料的A、B组分，按照A∶B=1∶1的比例制备冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料，然后测试涂料耐热性随养护时间变化的情况，结果见图1。
图1 养护时间对耐热性的影响
从图1可以看出，养护时间对冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料的耐热性有很大的影响，耐热性随养护时间的延长而逐渐提升，于第3 d达到JC/T 2428—2017的要求（65 ℃），第5 d耐热性达到最优（75 ℃），此后趋于稳定。与A、B组分刚混合时相比，随着环氧树脂的逐步反应、固化并均匀分散在沥青相中，环氧树脂分子链形成的网状结构使涂料内聚力逐渐增大，从而提升了涂料的耐热性；第5 d时环氧树脂反应完全，涂料的内聚力达到最大，耐热性达到最优状态。
2.3 固化剂添加量对冷涂型非固化橡胶沥青涂料延伸性及应力松弛的影响
冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料主要靠环氧树脂来提升内聚力，在环氧树脂添加量固定、固化剂不过量的情况下，固化剂添加量越多，反应越完全，固化程度越大，涂料的刚性增强，延伸性及应力松弛变差，“非固化”逐渐朝向“固化”方向发展。固化剂加量过少也会产生一些问题，例如内聚力小、耐热性不合格、长时间达不到非固化橡胶沥青防水涂料的拉丝效果，导致工程延期或者防水质量不合格。因此，合适的固化剂添加量对冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料的性能至关重要。
从2.2的试验结果可以看出，当A∶B=1∶1时，反应5 d后冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料的耐热性达到最佳，故通过控制A、B组分的比例来探讨固化剂添加量对反应5 d后冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料延伸性及应力松弛的影响，结果见表5。
表5 A∶B比值对延伸性及应力松弛的影响
从表5可以看出，冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料的延伸性随着A∶B比值的增大呈现先增大后减小的趋势，当A∶B=2∶1时，涂料的延伸性最好；冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料的应力松弛随着A∶B比值的增大也呈现先增大后减小的趋势。原因为当A：B比值偏小时，涂料中固化剂含量少，环氧树脂仅部分反应且多余的环氧树脂会起到稀释作用，造成涂料整体的应力松弛较小；随着A组分的增多，固化剂也同样增多，环氧树脂的反应程度更高，在A∶B=1∶1时，涂料的延伸性与应力松弛均符合JC/T 2428—2017的要求；随着A组分的进一步增多，环氧树脂的反应更加充分，A∶B=2∶1时涂料的延伸性达到最佳，同时其应力松弛也能满足JC/T 2428—2017的要求；但随着A组分的再进一步增多，涂料经反应后的流动状态明显，无法测试其延伸性及应力松弛。因此，A、B组分的比例应控制在1∶1或者2∶1。
2.4 环氧树脂添加量对冷涂型非固化橡胶沥青涂料长期蠕变性能的影响
从2.3的试验结果可以得出，A、B组分的比例最好控制在1∶1或者2∶1，接下来分别采用这两个比例制备冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料，测试第1 d、第7 d、第14 d、第28 d、第56 d的延伸性，以表征其长期蠕变性能，结果见表6。
表6 A∶B比值对长期蠕变性能的影响
从表6可以看出，当A∶B=1∶1时，随着养护时间的延长，冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料的延伸性会逐渐增大并趋于稳定，因为随着环氧树脂的反应，涂料的内聚力变大，延伸性逐渐增大；当A∶B=2∶1时，随着养护时间的延长，环氧树脂过度反应，冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料的延伸性反而会大幅减小。因此A∶B=1∶1为最佳比例。
图2为A∶B=1∶1时冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料的拉丝效果对比。从图2可以看出，A∶B=1∶1时制备的冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料4 d后的拉丝效果优异；经过长时间自然老化后，涂料仍能保持非固化蠕变性的特征，拉丝效果良好。
图2 冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料拉丝效果对比
3、结论
采用环氧树脂反应的方式制备冷涂型非固化橡胶沥青防水涂料，分别探讨了相容剂添加量、养护时间及环氧树脂与固化剂添加量对涂料相容性、耐热性、延伸性及应力松弛等的影响，在本研究范围内得出如下结论：
1）选用分子链结构由脂肪族环氧化合物和多元醇组成的相容剂可以改善环氧树脂与沥青的相容性，最佳相容剂添加量为2~4份。
2）涂料的耐热性与养护时间存在正相关关系，涂料在标准条件下养护3 d后，耐热性可满足JC/T 2428—2017的要求，并于第5 d耐热性达到最佳，此后趋于稳定。
3）A、B组分的比例会影响涂料的延伸性及应力松弛，随着A∶B比值的增加，即固化剂添加量增加，涂料的延伸性及应力松弛均呈现先增大后减小的趋势，当A∶B=1∶1时，涂料的延伸性和应力松弛性能均可满足JC/T 2428—2017要求，且长期蠕变性能优异。
参考文献：
[1] 褚建军.非固化橡胶沥青防水涂料产品研发与工程应用[J].新型建筑材料，2015（8）：56-58，69.
[2] 匡志娟.环氧沥青材料的制备及其性能研究[J].化工时刊，2011（9）：4-5，8.
作者简介：孙超杰，男，1996年生，现任河南蓝翎环科防水材料有限公司技术经理，主要研究方向为沥青卷材与沥青涂料。
原文刊载于《中国建筑防水》2023年第10期。
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