絹云母增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層的制備及性能研究

陳 陽，羅順杰，王新祥，，王元光，韋江雄，余其俊

（1、廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510500；2、華南理工大學(xué) 廣州 510641；3、廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測(cè)總站有限公司 廣州 510500）

0 引言

隨著海洋戰(zhàn)略及沿海經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來越多的混凝土結(jié)構(gòu)如跨海大橋、鉆井平臺(tái)、人造島嶼等出現(xiàn)在海洋工程建設(shè)中。作為海洋工程中使用最廣的建筑材料，混凝土使用量也在不斷地增加。但是在嚴(yán)酷的海洋環(huán)境下，混凝土結(jié)構(gòu)在服役過程中會(huì)遭受水、氯離子、硫酸鹽離子等腐蝕性介質(zhì)的侵蝕，出現(xiàn)多種形式的劣化，導(dǎo)致許多混凝土結(jié)構(gòu)在使用周期內(nèi)因耐久性失效而受到破壞［1-2］。由于我國大規(guī)模開展基礎(chǔ)海洋工程建設(shè)，混凝土結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境下的耐久性防護(hù)問題將日益突出，成為目前研究的熱點(diǎn)之一。

目前提高混凝土耐久性主要有2種方法［3-6］：①提高混凝土自身耐久性，通過改變混凝土的組分，添加礦物摻合料等方法來增強(qiáng)混凝土的密實(shí)性，減少外界腐蝕介質(zhì)的侵入，這種方法只能在新建的混凝土結(jié)構(gòu)中使用；②在混凝土表面涂刷涂層，不僅能有效提高混凝土的耐久性，也可對(duì)已建成的混凝土進(jìn)行修復(fù)，施工工藝簡(jiǎn)單，成本較低，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值及經(jīng)濟(jì)效益。目前市場(chǎng)上使用的大部分混凝土表面涂層為有機(jī)涂層，其存在著使用壽命和防護(hù)效果不佳的缺點(diǎn)［7-8］。本文通過片層狀絹云母改性環(huán)氧樹脂成功制備出絹云母增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層，研究了復(fù)合涂層的滲透能力、拉拔強(qiáng)度、抗紫外老化性能，為混凝土防護(hù)涂層的制備提供了新方法。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

1.1.1 絹云母

本實(shí)驗(yàn)采用深圳某公司生產(chǎn)的絹云母粉，其粒度分布曲線如圖1所示，D50為13.27μm，其主要化學(xué)組成如表1所示。

表1 絹云母化學(xué)組成Tab.1 Chemical Composition of Sericite

圖1 絹云母粒度分布曲線Fig.1 Particle Size Curve of Sericite

1.1.2 環(huán)氧樹脂

本研究所使用的環(huán)氧樹脂為工業(yè)級(jí)的E-51 雙酚A 型環(huán)氧樹脂，為南通星辰合成材料有限公司生產(chǎn)，根據(jù)《雙酚-A 型環(huán)氧樹脂：GB/T 13657—1992》，其技術(shù)指標(biāo)如表2 所示。用于改性的丙酮、糠醛試劑為天津某公司生產(chǎn)，固化劑二乙烯三胺（DETA）、2，4，6-三（二甲氨基甲基）苯酚（DMP-30）為上海某公司生產(chǎn)，均為分析純。

表2 E-51環(huán)氧樹脂技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Technical Index of E-51 Epoxy

1.2 復(fù)合涂層的制備

絹云母原樣的SEM 圖如圖2 所示。由圖2 可知，絹云母呈現(xiàn)不規(guī)則多層堆疊的片層狀結(jié)構(gòu)，其擁有較高的徑厚比，表面存在著少量的雜質(zhì)。其層間距較小，同時(shí)堆疊的層數(shù)較少。

圖2 絹云母的SEM圖Fig.2 SEM Image of Sericite

本研究中使用的滲透型環(huán)氧樹脂的粘度低，有一定的滲透潤(rùn)濕性能。將不同摻量（3%、6%、9%、12%）的絹云母粉添加到環(huán)氧樹脂中，經(jīng)過高速（1 500 r/min）攪拌分散15 min，然后將對(duì)應(yīng)的環(huán)氧樹脂固化劑加入到復(fù)合體系中，再進(jìn)行高速（1 500 r/min）攪拌分散15 min，制備出絹云母增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層，最后對(duì)復(fù)合涂層進(jìn)行性能測(cè)試。

1.3 性能測(cè)試方法

1.3.1 拉拔強(qiáng)度測(cè)試

按照《建筑防水涂料試驗(yàn)方法：GB/T 16777—2008》［9］進(jìn)行復(fù)合涂層的拉拔強(qiáng)度測(cè)試。將復(fù)合涂層涂刷在標(biāo)準(zhǔn)砂漿試樣上并進(jìn)行切割制樣，在顯微鏡下進(jìn)行觀察測(cè)試，對(duì)比不同摻量絹云母增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層的滲透性能。

1.3.2 抗紫外老化性能測(cè)試

采用紫外老化模擬高輻照環(huán)境老化，紫外老化主要參考《機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品用塑料、涂料、橡膠材料人工氣候老化實(shí)驗(yàn)方法焚光紫外燈：GB/T 14522—2008》［10］在紫外老化箱中進(jìn)行。人工加速紫外老化采用UV-313 型紫外光燈管作為模擬老化光源，該燈管的發(fā)光光譜能量主要集中在313 nm波長(zhǎng)附近。紫外老化條件為輻射度0.50 W/m2，實(shí)驗(yàn)溫度60 ℃，并以24 h 為1 個(gè)周期，通過7 d紫外光照后復(fù)合涂層的光澤度損失，來評(píng)價(jià)絹云母對(duì)復(fù)合涂層抗紫外老化性能的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 絹云母對(duì)復(fù)合涂層滲透深度的影響

將制備的絹云母增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層涂刷在混凝土表面，待硬化后切割得到側(cè)面實(shí)物圖，如圖3所示，可以清晰看到3種不同的區(qū)域，即黑色區(qū)域?yàn)閺?fù)合涂層，棕色區(qū)域?yàn)闈B透環(huán)氧樹脂層（復(fù)合涂層中滲透型環(huán)氧樹脂可滲入距表面3 mm 左右的混凝土孔隙中），白色區(qū)域?yàn)榛炷翆印?/p>

圖3 復(fù)合涂層滲透實(shí)物Fig.3 Penetrating of Composite Coating

使用掃描電鏡對(duì)切割的涂覆有復(fù)合涂層的混凝土試樣進(jìn)行觀察，復(fù)合涂層與混凝土界面區(qū)域的SEM 圖如圖4所示。由圖4可清晰看到3個(gè)不同的區(qū)域，即混凝土層、復(fù)合涂層（絹云母區(qū)）、復(fù)合涂層（環(huán)氧樹脂區(qū)）。絹云母增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層涂刷在混凝土表面后，復(fù)合涂層中滲透型環(huán)氧樹脂會(huì)自動(dòng)滲入混凝土表面的孔隙中，隨著滲透型環(huán)氧樹脂的滲入，絹云母隨之在混凝土表面層堆疊，形成了無機(jī)保護(hù)層結(jié)構(gòu)。

圖4 復(fù)合涂層的SEM圖Fig.4 SEM Image of Composite Coating

絹云母摻量對(duì)復(fù)合涂層滲透深度的影響如圖5所示，由圖5 可知，當(dāng)絹云母的摻量為0%時(shí)，環(huán)氧樹脂的滲透深度為193.86 μm。隨著絹云母的加入，制備的復(fù)合涂層的滲透深度隨著摻量的增加先增大后減小，都大于原環(huán)氧樹脂的滲透深度。這說明絹云母的加入并沒有影響環(huán)氧樹脂涂層的滲透能力。當(dāng)絹云母摻量為9%時(shí)，其滲透深度最大，達(dá)到320μm，而當(dāng)絹云母摻量大于9%時(shí)，其滲透深度會(huì)有一定的下降。

圖5 絹云母摻量對(duì)復(fù)合涂層滲透深度的影響Fig.5 Effect of Sericite Contents on Penetrating Depth of Composite Coatings

2.2 絹云母對(duì)復(fù)合涂層拉拔強(qiáng)度的影響

不同絹云母摻量對(duì)復(fù)合涂層拉拔強(qiáng)度的影響如圖6所示，當(dāng)絹云母摻量為0%時(shí)，環(huán)氧樹脂涂層的拉拔強(qiáng)度為4.34 MPa。隨著絹云母摻量的增加，改性復(fù)合涂層的拉拔強(qiáng)度都有一定的提高。當(dāng)絹云母的摻量為9%時(shí)，改性的復(fù)合涂層的拉拔強(qiáng)度最高，為5.19 MPa；當(dāng)絹云母的摻量大于9%時(shí)，復(fù)合涂層的拉拔強(qiáng)度會(huì)有一定的下降，說明適量的絹云母改性環(huán)氧樹脂，可提高復(fù)合涂層的拉拔強(qiáng)度，當(dāng)絹云母摻量超過最佳摻量時(shí)，對(duì)復(fù)合涂層的拉拔強(qiáng)度有一定的負(fù)作用。這與上述的不同絹云母摻量增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層的滲透深度結(jié)果保持一致，可見復(fù)合涂層的滲透深度與其拉拔強(qiáng)度呈正相關(guān)，過量的絹云母會(huì)影響復(fù)合涂層的滲透深度，進(jìn)而影響復(fù)合涂層與混凝土基底的粘結(jié)力，因此絹云母的最佳摻量為9%。

圖6 絹云母摻量對(duì)復(fù)合涂層拉拔強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of Sericite Contents on Pull-out Strength of Composite Coatings

2.3 絹云母對(duì)復(fù)合涂層抗紫外老化性能的影響

對(duì)不同摻量絹云母增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層進(jìn)行抗紫外老化性能測(cè)試，絹云母摻量對(duì)復(fù)合涂層光澤度的影響如圖7 所示。當(dāng)絹云母摻量為0%時(shí)，環(huán)氧樹脂涂層在紫外光照7 d 后光澤度損失為42.03%，不同摻量（3%、6%、9%、12%）絹云母增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層的光澤度損失分別為31.65%、28.71%、22.75%、35.14%。復(fù)合涂層的光澤度損失都較原環(huán)氧樹脂涂層要少，說明絹云母能夠有效提高復(fù)合涂層的抗紫外老化性能。當(dāng)絹云母摻量為9%時(shí)，光澤度損失最少，復(fù)合涂層抗紫外老化能力最佳。

圖7 絹云母摻量對(duì)復(fù)合涂層光澤度的影響Fig.7 Effect of Sericite Contents on Gloss of Composite Coatings

3 結(jié)論

⑴絹云母的加入可提高絹云母增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層的滲透能力。

⑵合適摻量的絹云母可提高復(fù)合涂層的性能。當(dāng)摻量為9%時(shí)，絹云母增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層的拉拔強(qiáng)度可達(dá)5.19 MPa，與混凝土的粘結(jié)性能最好。

⑶絹云母的加入可提高環(huán)氧樹脂涂層的抗紫外老化性能，當(dāng)摻量為9%時(shí)，復(fù)合涂層的抗紫外老化性能最佳。