一種鐵路客運專線用防水涂料的研制

段艷琴 ，王 進，陳立斌

（1.湖南工業(yè)大學 包裝與材料工程學院，湖南 株洲 412007； 2.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

0 引言

對客運專線的橋梁、路基進行防水處理是阻止侵蝕性介質(zhì)進入混凝土、延長橋梁使用壽命的有效方法之一。目前，應(yīng)用在客運專線上的防水材料主要有兩大類，防水卷材和防水涂料。與防水卷材相比，防水涂料具有施工簡單、方便的特點，適合使用在不平整、不規(guī)則的橋面，廣泛應(yīng)用于客運專線上。防水涂料主要有：聚氨酯、純聚脲、半聚脲和MMA防水涂料[1-5]。

聚脲、MMA防水涂料由于具備優(yōu)異的耐老化性能，可直接裸露在大氣中，防水層表面不需要作保護層，可有效減輕橋梁恒載，因而在國內(nèi)客運專線上被廣泛使用。與聚脲型相比，MMA防水涂料具有以下優(yōu)點：1）表干時間適中，約0.5 h能達到步行強度，適當延長了涂層對基材的潤濕時間，增強了防水層對混凝土的附著力；2）涂料在施工后無起泡、脫落現(xiàn)象；3）施工簡單方便，施工過程無需加熱，防水層大于1.5 mm時可分2層施工，可測濕膜厚度，有效控制防水層與基材的附著力；4）防水涂料涂層之間的附著力強，層間附著力大于防水層與基材的附著力；5）產(chǎn)品成本較低，適合大面積推廣使用，具有良好的市場競爭力。

1 主要實驗原料與反應(yīng)原理

1.1 主要實驗原料

丙烯酸酯預聚物，南通美德樹脂有限公司生產(chǎn)；MMA，化學純，上海五聯(lián)化工廠生產(chǎn)；

甲基丙烯酸丁酯（BMA），化學純，淄博澳納斯化工有限公司生產(chǎn)；丙烯酸丁酯（BA），化學純，上海高橋石化生產(chǎn)；過氧化二苯甲酰（BPO），工業(yè)級，廣州市申日化工有限公司生產(chǎn)；

N, N二甲基苯胺（DMA），工業(yè)級，株洲金河化工有限公司生產(chǎn)；

顏填料，廣州市錦旺化工有限公司生產(chǎn)。

1.2 實驗反應(yīng)原理

本實驗屬丙烯酸酯預聚物與MMA, BMA, BA或EHA單體進行的自由基聚合固化反應(yīng)，主要反應(yīng)過程包括鏈引發(fā)、鏈增長、鏈終止、鏈轉(zhuǎn)移，反應(yīng)中采用BPO和DMA分別做引發(fā)劑及促進劑，并通過調(diào)節(jié)二者的用量來控制反應(yīng)速度。

2 實驗過程與結(jié)果分析

2.1 樹脂/MMA對固化速度的影響

確定配方中其它成分的用量，在樹脂和MMA的總量（49 g）保持不變，保持實驗環(huán)境為：溫度（23±2）℃，濕度（50±5）%RH的情況下，考察樹脂的添加質(zhì)量對固化速度的影響。樹脂添加質(zhì)量與固化時間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 樹脂添加質(zhì)量對固化時間的影響Fig.1 Effect of resin dosage curing time

由圖1可知隨著樹脂添加質(zhì)量的增加，固化時間逐漸減少。這是因為樹脂中含有不飽和雙鍵，所以樹脂添加質(zhì)量越多，參與固化反應(yīng)的不飽和雙鍵就越多，樹脂的反應(yīng)活性就越高，達到完全固化的時間就越短。但是，并不是樹脂添加質(zhì)量越多涂膜的性能就越好，樹脂添加質(zhì)量過多會使固化速度太快而影響施工，并且涂膜的物理力學性能也會降低，所以樹脂添加質(zhì)量應(yīng)該適當。根據(jù)施工要求，固化時間保持在20 min左右為宜，所以由圖1可知樹脂添加質(zhì)量在24～27 g為宜，也就是說樹脂 : MMA≈1:1時，固化時間較適宜。

2.2 引發(fā)劑對涂膜固化速度的影響

本實驗采用防水涂料常用的由引發(fā)劑BPO和促進劑DMA組成的引發(fā)體系。

確定樹脂/單體比值、顏填料用量以及DMA用量，保持實驗環(huán)境為：溫度（23±2）℃，濕度（50±5）%RH，改變BPO添加質(zhì)量分數(shù)以考察其對固化速度的影響，如圖2所示。

圖2 BPO添加質(zhì)量分數(shù)對固化時間的影響Fig.2 Effect of BPO dosage curing time

由圖2可知，隨著BPO添加質(zhì)量分數(shù)的增加，體系固化時間縮短，固化速度增快。BPO在受熱（或添加低溫促進劑）時可析出CO2，并生成苯基自由基，自由基的數(shù)量越多體系固化越快。所以當BPO添加質(zhì)量分數(shù)增大時，能夠產(chǎn)生更多的自由基，促使體系固化時間縮短，固化速度增快。而當BPO添加質(zhì)量分數(shù)較少，如只有0.4%時，實驗表現(xiàn)為不能完全固化，BPO添加質(zhì)量分數(shù)太少，產(chǎn)生的自由基也少，引發(fā)速率很低，造成整個自由基聚合速率也低，再加上鏈終止和阻聚情況的影響，使得體系不能完全固化。

2.3 樹脂與單體的添加質(zhì)量對涂膜斷裂伸長率及拉伸強度的影響

確定配方中其它成分的用量，改變樹脂、MMA、BMA及BA的用量，進行正交試驗，正交試驗設(shè)計、結(jié)果及數(shù)據(jù)分析如表1～3所示：

表1 正交試驗因素水平表Table1 Factor levels of orthogonal experiment

表2 正交試驗結(jié)果Table2 Results of orthogonal experiment

基本計算公式：Ki= yi1+yi2+yi3，ki=Ki/ 3，極差R=max（i=1, 2, 3代表水平，yi表示實驗結(jié)果）。

由表3可以看出，4個主要實驗因素對斷裂伸長率與拉伸強度的影響是相反的，也就是說在提高其中一個性能的同時另一個性能卻降低了。所以結(jié)合防水涂料應(yīng)用的要求，結(jié)合表3中斷裂伸長率和拉伸強度2個優(yōu)組合可以得出1個最佳的配方組合，即樹脂：27 g，MMA：26 g，BMA：5 g，BA：2 g。也就是說MMA和BMA對斷裂伸長率和位伸強度這2個物理性能的影響是處于中間地位的，所以采用2個優(yōu)組合中的共同值，而樹脂和BA分別對其中一個性能影響最大，根據(jù)正交實驗的處理方法采用折中方式選用一個中間數(shù)值。對以上最佳組合進行實驗驗證，測得其結(jié)果為：斷裂伸長率為154%，拉伸強度為13.2 MPa，而對應(yīng)的產(chǎn)品性能要求是135%和11.0 MPa，所以其性能完全能夠滿足施工要求。

表3 正交試驗數(shù)據(jù)分析Table3 Elongation in orthogonal experiment

2.4 顏填料添加質(zhì)量分數(shù)對涂膜性能的影響

確定樹脂、單體及引發(fā)體系的用量，改變顏填料的添加質(zhì)量分數(shù)，涂膜性能測試結(jié)果如表4所示。

表4 顏填料添加質(zhì)量分數(shù)對涂膜性能的影響Table4 Effect of color fillings dosage on coating property

由表4可知，隨著顏填料添加質(zhì)量分數(shù)的增加，涂膜硬度、拉伸強度、撕裂強度變大，斷裂伸長率變小。根據(jù)涂膜的相應(yīng)指標，當拉伸強度達到11 MPa，斷裂伸長率達到135%，即可達到較好的物理力學性能，所以由表4可知配方4也就是顏填料添加質(zhì)量分數(shù)為25%左右時涂膜性能最佳。

2.5 溫濕度對涂膜干燥性的影響

在設(shè)定好溫度和濕度的恒溫恒濕箱里放上表面光滑的鐵片，幾分鐘之后把配備好的涂料涂覆在鐵片表面，膜厚2 mm，隔一段時間觀察干燥程度。用手指輕觸涂膜表面如感到有些發(fā)粘但無涂料粘在手指上，此時即為干燥時間。溫濕度對干燥時間的影響見圖3。

圖3 溫濕度對干燥時間的影響Fig.3 Effect of temperature and humidity on dry time

如圖3所示，隨著溫度升高，干燥時間減少；隨著濕度增加，干燥時間增多，總體上受溫度的影響較大，而受濕度的影響較小。在低溫下，濕度對干燥時間的影響較顯著，隨著溫度上升，濕度對干燥時間的影響卻在減小，當溫度達到45 ℃時5條曲線幾乎重疊，說明在這個溫度下濕度對干燥時間的影響幾乎可以忽略。由于防水涂料施工對干燥時間要求較高，既不能太慢而影響施工進程，也不能太快而影響施工質(zhì)量，施工時間要求在15～25 min。由圖3可知溫度為25～35℃對施工最有利，溫度較高時濕度幾乎可以不考慮，而當溫度較低，特別是小于30 ℃時則要求濕度盡量要低一些，在50%～70%RH較好。

3 結(jié)論

1）通過一系列的實驗考查了影響涂膜主要性能的各個因素以及主要成份的加入量。隨著樹脂添加質(zhì)量的增加，固化速度增快，固化時間縮短，當樹脂/MMA的配比大約為1:1時，防水涂料的固化速度適中，產(chǎn)品性能滿足施工要求；

2）引發(fā)劑添加質(zhì)量分數(shù)越多，固化反應(yīng)越快，固化時間越短，為滿足施工需要，引發(fā)劑添加質(zhì)量分數(shù)為1.6%較好；

3）通過正交試驗確定各試驗因素的質(zhì)量之比為樹脂:MMA:BMA:BA=27:26:5:2時，涂膜能達到較好的力學性能；

4）通過實驗得出顏填料添加質(zhì)量分數(shù)為25%左右時能得到較好的涂膜性能；

5）利用恒溫恒濕箱全面考察了溫濕度對涂膜干燥性的影響，得出利于施工的溫濕度范圍：溫度為25～35℃，濕度為50%～70%RH。

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