瀝青路面用水性環(huán)氧熱反射涂料的制備及性能

曹雪娟*，劉攀，劉月娥，劉譽貴，楊帆

（1.重慶交通大學材料科學與工程學院，重慶 400074；

2.重慶交通大學交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實驗室，重慶 400074）

【涂料】

瀝青路面用水性環(huán)氧熱反射涂料的制備及性能

曹雪娟1,2,*，劉攀1，劉月娥1，劉譽貴1，楊帆1

（1.重慶交通大學材料科學與工程學院，重慶 400074；

2.重慶交通大學交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實驗室，重慶 400074）

采用相反轉(zhuǎn)法制備了水性環(huán)氧乳液，以其為成膜物質(zhì)，TiO2、SiO2和中空微珠為功能填料，制備了用于瀝青路面上的熱反射涂料。通過計算涂覆涂層試片與未涂覆涂層試片的溫差來評價熱反射涂層的降溫效果。根據(jù)正交試驗結(jié)果得到白色涂料的最佳配方為：固含量為40%的水性環(huán)氧乳液100.0 g，TiO27.0 g，SiO22.5 g和中空微珠2.0 g。在此基礎(chǔ)上加入2%鐵紅顏料不僅可以使涂層呈現(xiàn)較好的視覺效果，且不會太影響其降溫效果。熱反射涂料的涂布量宜為0.9 ～ 1.0 kg/m2，在室外氣溫為35.2 °C時降溫值可達7.6 °C。拉拔試驗顯示涂層與瀝青路面之間的粘附性很好。雖然涂布涂料后路面的抗滑性能下降，但是撒布石英砂作為防滑粒料后就能滿足行車安全的要求。

水性環(huán)氧樹脂；熱反射涂層；瀝青路面；降溫；粘附性；抗滑性

Abstract:A heat-reflective paint for asphalt pavement was prepared from waterborne epoxy resin, which was obtained by phase inversion, with TiO2, SiO2and hollow microspheres as functional fillers.The cooling effect of the heat-reflective coating was evaluated by calculating the temperature difference between the specimen with and without the coating.The formulation of white paint was optimized by orthogonal test as follows: 100.0 g waterborne epoxy resin with a solid content of 40%, 7.0 g TiO2, 2.5 g SiO2and 2.0 g hollow microspheres.The addition of 2% iron oxide red can help the coating present a good visible effect, and affect its cooling effect little.The suitable weight of the heat-reflective coating applied per unit area is 0.9-1.0 kg/m2.When the outdoor temperature is 35.2 °C, the temperature drop reaches 7.6 °C.The pull-off strength test showed that the coating has a good adhesion to asphalt pavement.Though skid resistance of asphalt pavement declines after coating, the safety requirement of driving can be satisfied after bestrewing with anti-skid quartz sands.

Keywords:waterborne epoxy resin; heat-reflective coating; asphalt pavement; cooling; adhesion; skid resistance

First-author's address:School of Materials Science and Engineering, The National Joint Engineering Laboratories of Traffic Civil Materials, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China

瀝青是一種吸熱材料，在夏季會造成瀝青路面溫度遠遠高于氣溫，引發(fā)嚴重的車轍危害，并加劇城市的熱島效應(yīng)[1]，而且高溫路面釋放出的一些小分子揮發(fā)物還會影響環(huán)境。在瀝青路面涂布一層熱反射率高的物質(zhì)，使熱量在進入路面之前被輻射掉，可有效降低瀝青路面的溫度，減少路面車轍危害，緩解城市熱島效應(yīng)，改善人居環(huán)境。但由于路面受到行車荷載的影響，對材料使用條件要求苛刻，直至21世紀，熱反射材料才首次應(yīng)用在路面中[2]。

早期研究者以硅丙乳液[3-4]、丙烯酸樹脂[5-6]、不飽和聚酯[7-8]等為基料制備路用熱反射涂料，取得了良好的效果，但涂層在使用一段時間后出現(xiàn)不同程度的剝落及降溫性能下降等問題，難以大規(guī)模推廣應(yīng)用。隨后，研究者以耐磨性和粘附性較好的環(huán)氧樹脂為成膜物質(zhì)，制備耐磨性優(yōu)良的路用熱反射涂料[9-10]。然而，當前所用的基料樹脂大部分為溶劑型，施工時有機揮發(fā)物(VOC)較高，對環(huán)境污染大，危害人體健康。近年來，隨著環(huán)保要求不斷提高，水性化必將是路用熱反射涂料的新出路。本文選用水性環(huán)氧樹脂作為成膜物質(zhì)，同時加入折光系數(shù)高的金紅石型TiO2，耐磨消光的沉淀相SiO2，以及隔熱降溫的中空微珠，制備了綜合性能較優(yōu)的路用熱反射涂料，以期為路用水性熱反射涂料的研究提供借鑒。

1 實驗

1.1 原材料

鳳凰牌 E51 環(huán)氧樹脂[透明的均勻流體，環(huán)氧當量(190 ± 5) g/mol，25 °C 時黏度為 10000 ～ 16000 mPa·s，25 °C時密度為1.11 g/mL，無機氯≤50 mg/kg]，南通星辰合成材料有限公司；BH-560水性環(huán)氧固化劑(淡黃色均勻流體，固含量 50% ± 2%，活潑氫當量200固體分，25 °C 時黏度為4000 ～ 7000 mPa·s，pH 8.5，相對密度 1.06)，東莞黑馬化工公司；聚乙二醇 4000，成都市科龍化工試劑廠；過硫酸鉀，上海埃彼化學試劑有限公司；金紅石型TiO2，杭州萬景新材料有限公司；沉淀相SiO2，宜賓五糧液集團精細化工公司；中空微珠，上海向嵐化工公司；鐵紅、石英砂，市售；超純水，自制。

1.2 儀器

申科S212恒速攪拌器、W201D恒溫水浴鍋，上海申順生物科技有限公司；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責任公司；EDF-550實驗室多功能分散研磨機，上海易勒機電設(shè)備有限公司；DHG-9023A電熱恒溫鼓風干燥箱，上海齊欣科學儀器有限公司；NDJ-79旋轉(zhuǎn)黏度計，上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司；溫度記錄儀，杭州路格科技有限公司。

1.3 乳化劑的制備

取120.0 g聚乙二醇4000和11.8 g環(huán)氧樹脂于三口燒瓶中，65 °C水浴熔化，300 r/min攪拌30 min，緩慢加入引發(fā)劑(0.4 g過硫酸鉀 + 10 mL超純水)，混合均勻后在180 °C油浴下攪拌(310 r/min)反應(yīng)4.5 h，即得乳化劑。

1.4 水性環(huán)氧乳液的制備

采用相反轉(zhuǎn)法，取75.0 g環(huán)氧樹脂和15.0 g乳化劑于燒杯中，水浴60 °C，轉(zhuǎn)速3500 r/min，根據(jù)所需固含量逐滴加水，控制在20 ～ 30 min內(nèi)加完，然后繼續(xù)剪切30 min，即可制得水性環(huán)氧乳液。

1.5 水性環(huán)氧熱反射涂料的制備

向100.0 g水性環(huán)氧乳液中依次加入一定量的TiO2、SiO2、中空微珠等顏填料以及消泡劑、分散劑等助劑(用量0.8% ～ 1.0%)，再按質(zhì)量比0.8∶1.0加入固化劑，低速攪拌均勻后得到熱反射涂料。

1.6 性能檢測

1.6.1 乳液的固含量

稱取3.0 g左右乳液于錫箔紙中，在105 °C下烘干至恒重，進行2個平行測試，按質(zhì)量法測乳液的實際固含量，根據(jù)所需固含量來確定加水量。

1.6.2 熱反射涂層的降溫效果

采用如圖1所示的自制降溫效果測試裝置[8]，選擇光譜類似太陽光的1000 W碘鎢燈，將其置于試件上方30 ～ 40 cm處，利用電機帶動其旋轉(zhuǎn)以保證照射的均勻性。將熱反射涂料涂覆在15 cm × 15 cm的馬口鐵板上，與空白鐵板一起平放在箱體底部，測量涂層的降溫值，確定最佳配方。另外將料涂覆在15 cm × 15 cm × 5 cm的AC-13瀝青混凝土試件上，以測試其室內(nèi)外降溫效果。

1.6.3 熱反射涂層的粘附性能

圖1 涂層降溫效果測試裝置Figure 1 Device for testing the cooling effect of a coating

將熱反射涂料涂覆在成型的車轍板試件表面，待其完全固化后，采用快干高強度的 AB膠將拉拔測試儀的拉頭粘結(jié)在涂層表面，2 h后測試拉頭脫離試件時的力，以此評價其粘附性能。

1.6.4 熱反射涂層的抗滑性能

用分層涂裝的方式添加石英砂：首先在試件表面涂布一定量的熱反射涂料，緊接著撒布0.6 ～ 0.8 kg/m2的石英砂，撒布時應(yīng)盡量均勻；待第一層涂層固化，石英砂被粘住后，涂布第二層涂料。利用天津市華通實驗儀器廠BM-3型擺式摩擦因數(shù)測定儀研究熱反射涂層試件的抗滑性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 水性環(huán)氧熱反射涂料的制備

2.1.1 TiO2用量的影響

在100.0 g水性環(huán)氧乳液(固含量為40%，下同)，3.0 g SiO2，2.0 g中空微珠的條件下，考察了TiO2用量對涂料性能的影響，結(jié)果如圖2所示。在TiO2用量較少時，黏度增加緩慢，降溫值增加較快，隨著TiO2用量增多，黏度增長趨勢變大，降溫值增加幅度變小。金紅石型TiO2的折光系數(shù)大，能顯著影響涂層的降溫效果。當TiO2用量為8.0 g時，相比未摻加TiO2時，溫度降低了將近7 °C。繼續(xù)增加TiO2用量，因試件表面已達飽和，故降溫趨于平緩，且填料用量增加，涂料的固含量和黏度隨之增大，不利于施工。因此選擇TiO2用量為6.0 ～ 8.0 g。

2.1.2 SiO2用量的影響

在100.0 g水性環(huán)氧乳液，6.0 g TiO2，2.0 g中空微珠的條件下，考察了SiO2用量對涂料性能的影響，結(jié)果如圖3所示。SiO2不僅可以改善涂層的耐磨性和抗滑性能，而且能降低涂層的折光系數(shù)，減弱反光現(xiàn)象。但隨著SiO2用量增加，涂層的降溫值先是大幅下降，隨后下降趨勢放緩。這是因為SiO2的粒徑較大，能增大涂層表面的粗糙度，而粗糙度越大，吸收太陽輻射則越多；另外SiO2含量增多，TiO2的含量就相對降低，所以減弱了涂層的降溫效果。還有，涂料的黏度隨SiO2用量增加也逐漸增大，當SiO2用量超過3.0 g時，涂料黏度增長較快。綜合考慮，SiO2用量以2.0 ～ 3.0 g為宜。

圖2 TiO2用量對涂料黏度和降溫值的影響Figure 2 Effect of TiO2amount on viscosity of coating and temperature drop

圖3 SiO2用量對涂料黏度和降溫值的影響Figure 3 Effect of SiO2 amount on viscosity of coating and temperature drop

2.1.3 中空微珠用量的影響

在100.0 g水性環(huán)氧乳液，6.0 g TiO2，2.0 g SiO2的條件下，考察了中空微珠用量對涂料性能的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 中空微珠用量對涂料黏度和降溫值的影響Figure 4 Effect of hollow microsphere amount on viscosity of coating and temperature drop

中空微珠對涂料的黏度影響較大，主要是由于其密度較小。當中空微珠用量少于2.0 g時，黏度變化較慢；中空微珠增多，黏度急速上升，至5.0 g時，黏度相比未加入中空微珠的涂料的黏度增大了一倍。僅從黏度考慮的話，中空微珠用量不宜超過2.0 g。涂層的降溫效果隨中空微珠用量增加呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢。中空微珠有良好的隔熱作用，在一定范圍內(nèi)增加其用量，能增強涂層的降溫性能。當其用量為3.0 g時，涂層降溫值最大。繼續(xù)增多用量，體積較大的中空微珠遮蓋了TiO2，反而導(dǎo)致涂層的降溫性能下降。綜合考慮黏度和降溫性能，選擇中空微珠用量為2.0 ～ 3.0 g。

2.1.4 正交試驗

在水性環(huán)氧乳液用量一定(100.0 g)的情況下，以TiO2用量、SiO2用量和中空微珠用量為考察因素，以涂料的運動黏度和涂層的降溫值為考察指標，采用三水平三因素正交試驗研究水性環(huán)氧熱反射涂料的最佳配方，結(jié)果見表1。

表1 正交試驗結(jié)果Table 1 Result of orthogonal test

本試驗希望獲得一種降溫值高且黏度低的涂料，但某些影響因素變化會造成一部分性能提高而另一部分性能降低。因此，按功效系數(shù)法選取涂料的最佳配比，即：若第 i個考核指標效果最好，規(guī)定該指標的功效系數(shù)為1，記d = 1，其余各考核指標的功效系數(shù)為該指標值與最好指標值的比值。對于越低越好的指標，將其最低值記為1，其余取值為最低指標與該指標的比值[11]。

從表1可知，第8號試驗的總功效系數(shù)d最大，其值為0.951，相應(yīng)的試驗條件為：TiO2用量8.0 g，SiO2用量2.5 g，中空微珠用量2.0 g。此時可獲得較低的黏度和較好的降溫效果。影響因素的主次順序為中空微珠用量 ＞ SiO2用量 ＞ TiO2用量。為修正或驗證最佳配方，設(shè)計了對比方案列于表2。

表2 正交試驗中最優(yōu)組與兩組對比試驗的結(jié)果Table 2 Results of the optimal group in orthogonal test and two comparative test groups

雖然對比方案2的降溫值較正交試驗第8組的降溫值略低，但其黏度也更低，且TiO2用量較少，節(jié)約成本。由此最終確定白色水性環(huán)氧熱反射涂料的配方為：100.0 g固含量40%的水性環(huán)氧乳液，7.0 g TiO2，2.5 g SiO2，2.0 g中空微珠。

2.1.5 彩色涂料的配制

白色涂層不但易被污染，而且具有較強的反光性，長久注視令人眼睛感到不適，極大地影響道路行車安全。因此需進一步配制彩色涂料以滿足路面使用需求。本文選用鐵紅為彩色顏料，對比不同鐵紅添加量所制涂層的降溫效果，結(jié)果見圖 5。加入鐵紅顏料降低了涂層的降溫性能，且隨著顏色加深，降溫值逐漸減小。當鐵紅顏料的質(zhì)量分數(shù)為 1%時，降溫效果略有下降，但仍易產(chǎn)生視覺疲勞；當摻量大于3%時，降溫效果下降明顯；當摻量為 2%時，既滿足人眼舒適度要求，又保持了良好的降溫效果。因此選擇鐵紅摻量為2%。

圖5 鐵紅顏料摻量對涂層降溫效果的影響Figure 5 Effect of iron oxide red content on cooling effect of coating

2.2 水性環(huán)氧熱反射涂層的降溫效果

2.2.1 涂布量對降溫效果的影響

在瀝青混凝土表面涂布水性環(huán)氧熱反射涂料，測試了涂料的涂布量不同時所得涂層的降溫值，結(jié)果如圖6所示。隨著涂布量增加，降溫值不斷增加，最后趨于穩(wěn)定。當涂布量較少時，涂層較薄，其表面的TiO2分布稀疏，故降溫值較小。當涂層厚度增加到一定程度，TiO2在表面的量飽和，涂層的降溫趨于穩(wěn)定?？紤]到經(jīng)濟性，涂布量宜為0.9 ～ 1.0 kg/m2。

圖6 涂料涂布量對其降溫效果的影響Figure 6 Effect of coating weight on its cooling effect

2.2.2 試件溫度對降溫效果的影響

測試了試件在不同溫度下的降溫值，結(jié)果如圖7所示?？梢娡繉拥慕禍匦ЧS試件溫度的增加而增大，這表明路面溫度越高，水性環(huán)氧熱反射涂料的降溫效果越明顯。當溫度為60.0 °C時，涂層降溫值可達11.7 °C。因此，在炎炎夏季該涂料能有效降低瀝青路面溫度。

2.2.3 太陽輻射下降溫效果的評價

圖7 試件溫度對涂層降溫效果的影響Figure 7 Effect of specimen’s temperature on cooling effect of coating

取2塊AC-13瀝青混凝土車轍試件，其中一塊作為空白對照板，另一塊按涂布量為0.9 ～ 1.0 kg/m2進行涂布，然后把它們放置在空曠且可直接暴露在太陽光照射下的地方。將溫度傳感器埋入距試件表面2 cm處的孔中，記錄一天當中試件的溫度變化，計算降溫值，結(jié)果如圖8所示。在太陽輻射下，隨著時間推移，2塊試件的溫度都是先升高后降低，降溫值也是類似的變化趨勢。在下午14:00 ～ 15:00時，室外氣溫為35.2 °C，試件溫度也最高，此時的降溫值最大，為7.6 °C。

圖8 涂層的室外降溫效果Figure 8 Cooling effect of the coating outside

2.3 水性環(huán)氧熱反射涂層的粘附性能

涂料與瀝青路面的粘結(jié)性能將影響涂層的耐久性。圖9顯示了拉拔試驗后試件的破壞情況。測得拉頭脫離試件時的力是1.33 kN，可見涂層自身的粘附性較好，拉裂面大部分為瀝青與石料的結(jié)合面，這表明水性環(huán)氧熱反射涂料與瀝青路面具有良好的粘附性。

圖9 拉拔試驗后涂層的狀況Figure 9 Photo showing the coating after pull-off strength test

2.4 水性環(huán)氧熱反射涂層的抗滑性能

在瀝青路面上涂布涂料勢必會降低路面的抗滑性能，撒布防滑骨料(如石英砂)是行之有效的提高抗滑性的方法。表3列出了不同情況下涂層擺值的測定結(jié)果以及加入石英砂后涂層降溫值的變化。

表3 涂覆涂層的瀝青路面撒布石英砂前后的擺式儀擺值Table 3 British pendulum number of the coated asphalt pavement before and after bestrewing with quartz sands

涂布涂料后，瀝青試件的擺值低于40 BPN，未達到規(guī)范要求[12]。這是因為涂料會降低瀝青試件的摩擦因數(shù)及構(gòu)造深度，所以抗滑性能下降。石英砂顆粒大而凸出表面，能增大涂層的表面粗糙度，使其抗滑性明顯提高，加入了石英砂的涂層已完全滿足行車安全的要求。同時，石英砂對涂層降溫效果的影響較小。

3 結(jié)論

(1) 隨著顏填料用量增加，熱反射涂料的黏度增大。在一定范圍內(nèi)增加TiO2和中空微珠的用量對涂層的降溫效果有積極作用，而SiO2用量的增加卻降低涂層的降溫值。

(2) 水性環(huán)氧熱反射涂料的最佳配方為：100.0 g固含量40%的水性環(huán)氧乳液，7.0 g TiO2，2.5 g SiO2和2.0 g中空微珠。建議鐵紅顏料的摻量為2%。

(3) 水性環(huán)氧熱反射涂料的降溫效果隨涂層厚度的增加而增強到一定程度后趨于穩(wěn)定，涂布量宜為0.9 ～ 1.0 kg/m2。

(4) 水性環(huán)氧熱反射涂層與瀝青路面具有良好的粘附性能，但涂層會降低瀝青路面的抗滑性能。撒布石英砂后，涂層的抗滑性能明顯提高，可滿足行車安全的要求，且不影響降溫效果。

[1]張洪華, 王鑫, 林聲, 等.路用降溫涂層施工工藝研究[J].筑路機械與施工機械化, 2014, 31 (6): 47-50.

[2]曹雪娟, 劉攀, 李瑞嬌, 等.路用熱反射涂料的研究進展[J].電鍍與涂飾, 2016, 35 (18): 943-948.

[3]馮德成, 張鑫.熱反射涂層開發(fā)及路用性能觀測研究[J].公路交通科技, 2010, 27 (10): 17-20, 34.

[4]張靜.瀝青路面熱阻及熱反射技術(shù)應(yīng)用研究[D].哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2008.

[5]WANG H, ZHONG J, FENG D C, et al.Nanoparticles-modified polymer-based solar-reflective coating as a cooling overlay for asphalt pavement [J].International Journal of Smart and Nano Materials, 2013, 4 (2): 102-111.

[6]N NEMOTO, T YOSHINAKA, S NAGASHIMA, et al.Solar heat cutoff pavement: US20100247753 [P].2010–09–30.

[7]曹雪娟, 唐伯明, 朱洪洲.降低瀝青路面溫度的熱反射涂層性能研究[J].重慶交通大學學報(自然科學版), 2010, 29 (3): 391-393, 420.

[8]CAO X J, TANG B M, ZOU X L, et al.Analysis on the cooling effect of a heat-reflective coating for asphalt pavement [J].Road Materials and Pavement Design, 2015, 16 (3): 716-726.

[9]ZHENG M L, HAN L L, WANG F, et al.Comparison and analysis on heat reflective coating for asphalt pavement based on cooling effect and anti-skid performance [J].Construction and Building Materials, 2015, 93: 1197-1205.

[10]鄧琰榮.瀝青路面太陽熱反射涂層組成設(shè)計及路用性能研究[D].西安: 長安大學, 2012.

[11]劉數(shù)華, 冷發(fā)光, 羅季英.建筑材料試驗研究的數(shù)學方法[M].北京: 中國建材工業(yè)出版社, 2006: 155-157.

[12]交通部公路科學研究院.公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程: JTG E60–2008 [S].北京: 人民交通出版社, 2008.

[ 編輯：杜娟娟 ]

Preparation and properties of heat-reflective waterborne epoxy paint for asphalt pavement

CAO Xue-juan*,LIU Pan, LIU Yue-e, LIU Yu-gui, YANG Fan

TQ630.7; U416.2

A

1004 – 227X (2017) 18 – 0955 – 06

2016–12–08

2017–02–23

國家自然科學基金（51408088）；重慶交通大學研究生教育創(chuàng)新基金（20150103）；重慶教育委員會科技項目（KJ500524）。

曹雪娟（1979–），女，四川鄰水人，博士，教授，主要從事路面材料研究。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) 787461693@qq.com。

10.19289/j.1004-227x.2017.18.001