環(huán)氧樹脂膠黏劑涂覆木材的防水性能研究

楊友龍，尹業(yè)高，熊光晶

（1.汕頭大學(xué)工學(xué)院，廣東汕頭 515063；2.韓山師范學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，廣東潮州 521041；3.汕頭大學(xué)化學(xué)系，廣東汕頭 515063）

木材是五大建材中唯一可再生的環(huán)保節(jié)能建筑材料.隨著外界溫度和濕度的變化，木材容易蒸發(fā)或吸收水分，產(chǎn)生干縮或濕脹，導(dǎo)致木材的尺寸不穩(wěn)定，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，發(fā)生翹曲、變形和開裂，危害結(jié)構(gòu)安全［1］.在潮濕環(huán)境下，未設(shè)防的木構(gòu)件極易寄生繁殖木腐菌而致腐朽，導(dǎo)致喪失承載能力［2］.兩千多年前中國已開始使用桐油調(diào)制油漆涂刷木構(gòu)件表面，以堵塞一部分纖維孔隙，并形成憎水防護(hù)層而達(dá)到防水目的.但因植物油產(chǎn)量有限，近現(xiàn)代以來，人工合成高分子涂料開始得到大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用.

合成高分子防水涂料根據(jù)其狀態(tài)與成膜過程可分為溶劑型、水乳型和反應(yīng)型.溶劑型防水涂料由于在干燥成膜時會向空氣中散發(fā)揮發(fā)性有機(jī)化合物（volatile organic compound，VOC），對人類生態(tài)環(huán)境構(gòu)成一定威脅，許多國家已立法限制涂料中VOC的排放.水乳型防水涂料是環(huán)境友好材料，但耐水性不如溶劑型防水涂料.如呂維忠等［3］指出，水性聚氨酯膠膜耐水性較差，無法和溶劑型聚氨酯相媲美.反應(yīng)型防水涂料是通過預(yù)聚體與固化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)成膜（可一次形成致密的厚涂膜），且?guī)缀鯚o收縮，因而耐水性一般比其他類型的防水涂料好.除耐水性外，從環(huán)保和長遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)效益考慮，涂料的黏結(jié)強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性和耐老化性也是3個關(guān)鍵指標(biāo)［4－5］.

需說明，近年來環(huán)氧樹脂（epoxy）膠黏劑已被廣泛用來與碳纖維、玻璃纖維布配合，以增強(qiáng)木結(jié)構(gòu)［6－7］.作為增強(qiáng)材料的一部分（承擔(dān)構(gòu)件“安全”任務(wù)），Epoxy膠黏劑可被視為一種反應(yīng)型涂料，其黏結(jié)強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性和耐老化性這3個關(guān)鍵指標(biāo)均明顯高于普通的防水材料（承擔(dān)構(gòu)件“正常使用”任務(wù)），并兼具耐水性.Epoxy膠黏劑的耐老化性尤為突出.在強(qiáng)大的風(fēng)載荷、大氣沖刷、砂石粒子沖擊、強(qiáng)烈的紫外線照射等惡劣環(huán)境侵蝕條件下，Epoxy玻璃鋼風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片也可持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)超過25a［8］.國外公司推出的由Epoxy膠黏劑與壓碎的玻璃制成的環(huán)氧水磨石產(chǎn)品，使用壽命更長達(dá)40a［9］.

以往木結(jié)構(gòu)增強(qiáng)與防護(hù)均是分兩步施工，如對木梁先做梁底面的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)（用Epoxy粘貼碳纖維或玻璃纖維）［7］，后做其他表面的涂覆防護(hù)，這樣既費(fèi)工又費(fèi)時.因此筆者提出將Epoxy膠黏劑直接作為木結(jié)構(gòu)表面防水劑的思路，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)和防水施工一次完成，以提高增強(qiáng)維護(hù)工作的效率，降低后期維護(hù)成本.就涂覆Epoxy膠黏劑試樣的吸水動力學(xué)特性與常用醇酸清漆涂料進(jìn)行對比試驗(yàn)研究，探討將Epoxy膠黏劑應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)防水的可行性.

1 試驗(yàn)概述

1.1 試驗(yàn)用材料

試驗(yàn)選用質(zhì)地不同的3種木材：鐵刀木（cassia siamea Lam，雞翅木類）、水杉（dawn redwood，針葉類）和軟木（corkwood，由栓皮櫟樹皮制成），其編號及特性見表1.其中：水杉木為常見結(jié)構(gòu)用材，鐵刀木為優(yōu)良家具用材，也見于重要木結(jié)構(gòu)建筑，如潮州廣濟(jì)橋上部的亭閣.軟木有吸音、保溫、防滑和抗靜電等優(yōu)點(diǎn)，可制作地板與墻板等.軟木地板使用壽命可達(dá)50a以上［10］.在制作試樣前，木材已在室內(nèi)環(huán)境下氣干超過1a（超過0.5a被動氣干要求）.

表1 木材編號、氣干密度和產(chǎn)地Table 1 Serial number，air－dry density and place of origin of wood species

防水涂料選用福建省騰龍工業(yè)公司生產(chǎn)的醇酸清漆（alkyd varnish）.Epoxy 膠黏劑在現(xiàn)場配制，m（epoxy）∶m（固化劑）為1∶1.本試驗(yàn)選用長沙把兄弟膠黏劑有限公司生產(chǎn)的E－44Epoxy和EP－1固化劑，以及江蘇三木公司生產(chǎn)的SM－203高硬度固化劑.由E－44Epoxy與EP－1固化劑調(diào)配而成的防護(hù)涂料編號為Ep；由E－44Epoxy與SM－203固化劑調(diào)配而成的防護(hù)涂料編號為Eph；醇酸清漆編號為Var，其固含量約為40%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）.Ep，Eph，Var涂料的售價分別為40，44，24元／L，使用時均未稀釋.

1.2 試樣制作及分組

將3種木材分別鋸切成20 mm×20 mm×20mm的立方體試樣.試樣未刨光，以模擬鋸切的木構(gòu)件表面.除控制組試樣（素材）外，每種試樣分別涂覆3種涂料.每種涂料涂覆的試樣共2組（每組3個試樣），即分別用刷子涂刷1層（Ⅰ）和2層（Ⅱ）涂料.其中雙層涂覆在首層涂覆7d后實(shí)施.每種木材制作7組（含控制組），共21個試樣.

1.3 試驗(yàn)方法與結(jié)果

參照GB／T 1934.1—2009《木材吸水性測定方法》［11］，對所有試樣進(jìn)行全浸吸水率對比試驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)室溫度為20～28℃.稱量時間點(diǎn)為第1，2，4，8，12，20d，以后每隔10d稱量一次.稱量前，用吸水紙吸干試樣表面水分.70d 后，控制組的吸水率（WA，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）達(dá)到極限狀態(tài)（吸水率的增加值小于5%）［11］，試驗(yàn)停止.吸水率按式（1）計算：

式中：m 為試樣吸水后的質(zhì)量；m0為試樣吸水前的質(zhì)量.

試樣的阻水性（WR）按式（2）計算：

式中：WAc為控制組的吸水率；WAt為測試組的吸水率.

2 試驗(yàn)結(jié)果討論

2.1 涂層對極限吸水率的影響

各組試樣在全浸水70d后的吸水率和阻水性的平均值見表2.

由表2可見，涂覆單層Epoxy膠黏劑的鐵刀木（H）和水杉（F）試樣的吸水率比涂覆醇酸清漆者降低了30%以上，表明Epoxy膠黏劑的阻水性顯著高于醇酸清漆.其原因可能是Epoxy膠黏劑在成膜過程中形成三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)，分子的剛性增強(qiáng)，阻止了交聯(lián)固化后分子間的滑動，水分子不易由外向內(nèi)滲透到水相中［12］.雙層涂覆Epoxy 膠黏劑或醇酸清漆H，F(xiàn)試樣的70d吸水率比單層涂覆者進(jìn)一步降低50%以上.

表2 各試樣全浸水70d后的吸水率和阻水性Table 2 Water absorption（WA）and water repellency（WR）of various samples after 70dcompletely immersion in water

涂覆單層醇酸清漆的水杉試樣其阻水性為負(fù)值，說明該涂層沒有防水效果.這可能是因?yàn)樵嚇颖旧硎杷尚圆町惖挠绊?，加之醇酸清漆涂層沒有完全封閉試樣表面，致使該組試樣的吸水率略大于控制組.Baysal等的研究［13］中也存在類似現(xiàn)象.Epoxy膠黏劑則因黏稠度高，涂覆單層即可有效封閉試樣表面.

Epoxy搭配普通固化劑與搭配SM－203高硬度固化劑的阻水性相當(dāng)，這說明不同固化劑對涂膜的阻水性沒有明顯影響.

2.2 吸水動力學(xué)特性

試驗(yàn)測得鐵刀木、水杉和軟木試樣浸水1～70d的數(shù)據(jù)，將部分時間點(diǎn)的測試數(shù)據(jù)列入表3.

表3 試樣全浸水吸水量和吸水率與浸水時間的關(guān)系Table 3 Relationship of water content（Mt）and WA of various samples vs.immersion time

由表3可見，試樣的吸水量在浸水開始階段迅速增加，其中軟木試樣的吸水量速度增加最快.64%的鐵刀木試樣、82%的杉木試樣和100%的軟木試樣在20d后吸水量超過最大吸水量（試驗(yàn)結(jié)束時試樣吸水量的最大值）的50%.之后，試樣吸水量增加速度漸趨平緩.

在各組試樣中，涂覆雙層Epoxy膠黏劑試樣的吸水率增速最緩慢.在浸水2d后，涂覆雙層Epoxy膠黏劑的鐵刀木和杉木的吸水率分別低于1.0%和1.3%，而控制組的吸水率分別為25.8%和45.4%.在浸水8d后，涂覆雙層Epoxy膠黏劑的鐵刀木和杉木的吸水率僅為控制組的4%；而涂覆雙層醇酸清漆試樣的吸水率為控制組的10%～20%.這說明Epoxy膠黏劑的短期防水性能和“70d抗浸水性性能”都是最佳的.究其原因，可能是Epoxy膠黏劑固化后成為三維體型結(jié)構(gòu)，在水中不溶不熔，即使受到長期浸泡也不會吸水，大大提高了防水層的持久性.醇酸清漆成膜后是聚酯的線型結(jié)構(gòu)，且“酯”長期在水中浸泡會有一定程度的水解，因而其防水效果不及Epoxy膠黏劑.

2.3 吸水動力學(xué)曲線擬合

水在多孔材料中的傳遞過程比較復(fù)雜，包括吸附、擴(kuò)散、滲透等多種傳輸方式.實(shí)際上，一般水在多孔材料中的傳遞是幾種傳輸方式疊加的結(jié)果，在一定條件下以其中某種方式為主.當(dāng)多孔材料的孔中未達(dá)到飽和狀態(tài)時，水分的主要傳輸方式為擴(kuò)散［14］.水在木材中的擴(kuò)散機(jī)制可以用Ficker定律描述，根據(jù)擴(kuò)散速度，擴(kuò)散行為可分為3種類型［15］.

類型1（穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散）：滲透劑流動速度顯著低于弛豫速度，在固體物內(nèi)很快達(dá)到平衡狀態(tài)并保持不變.

類型2：滲透劑流動速度顯著高于弛豫速度.這種擴(kuò)散的特點(diǎn)是濕脹的外層邊界以穩(wěn)定的速度向未浸濕的內(nèi)部發(fā)展，未浸濕的部分持續(xù)縮減，直到滲透劑充滿試樣與外部達(dá)到平衡狀態(tài).

類型3（非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散）：滲透劑流動速度與弛豫速度接近，擴(kuò)散行為介于類型1和類型2之間.

上述3類擴(kuò)散行為的吸水動力學(xué)曲線的形狀各異，可用式（3）［15］描述：

式中：Mt是t時刻的吸水量；M∞為平衡狀態(tài)的吸水量；n為擴(kuò)散狀態(tài)選擇參數(shù)；k為常數(shù).n 值的范圍對應(yīng)著不同的擴(kuò)散類型：n＝1／2時為穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散（理想菲克擴(kuò)散）；n≥1時為類型2擴(kuò)散；1／2＜n＜1時為非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散.

對式（3）取對數(shù)，得：

按式（4）用最小二乘法擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到各組試樣的n和k值（見表4）.典型涂層的水杉試樣的吸水動力學(xué)擬合曲線見圖1，實(shí)測數(shù)據(jù)以“＋”號表示.由圖1可見，各組試樣的吸水動力學(xué)特性均符合Ficker定律，擬合效果良好.各組試樣的擴(kuò)散狀態(tài)選擇參數(shù)n值接近0.5（表4），接近理想菲克擴(kuò)散模型.

將時間的平方根t0.5作X 軸，吸水量作Y 軸，則圖1中各曲線均轉(zhuǎn)換成直線（見圖2）［16］，圖2中各直線的斜率表示按時間平方根的吸收速率.由圖2可見，Epoxy膠黏劑涂層可顯著降低木材的吸水速率.如控制組（Con）的吸水速率為0.6287，而涂覆雙層Epoxy膠黏劑的Eph－Ⅱ試樣的吸水速率降至0.0400，僅為Con試樣的6.4%，其最大吸水量也處于各組的最低水平.這表明Epoxy膠黏劑是優(yōu)良的防水劑.

表4 試樣的擴(kuò)散狀態(tài)選擇參數(shù)Table 4 Diffusion state selection parameters（n，k）of various samples

3 結(jié)論

（1）常用Epoxy－44結(jié)構(gòu)膠黏劑兼具良好的防水效果，單層涂覆Epoxy－44膠黏劑的70d吸水率比醇酸清漆可降低30%以上.

（2）鐵刀木和杉木組中，雙層涂覆醇酸清漆的70d 吸水率比單層涂覆可降低70%，雙層涂覆Epoxy－44膠黏劑的70d吸水率則比單層涂覆可降低50%～90%.

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