抗UV劑對雙組份標(biāo)線涂料耐久性的影響研究*

司晶晶，邢苗苗，王俊彥，陳書霞，鄒曉勇，吳聞秀

（1 河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2 金華市公路與運(yùn)輸管理中心，浙江 金華 321000）

道路交通標(biāo)線作為管制和引導(dǎo)道路交通的生命線，對規(guī)范車輛和行人安全通行具有重要意義。國內(nèi)道路標(biāo)線主要有四種：熱熔型、溶劑型、雙組份和水性道路標(biāo)線[1]。其中，熱熔型道路標(biāo)線和溶劑型道路標(biāo)線的應(yīng)用較多，但二者因耐磨性差、環(huán)保效益不足、光度性能差、修復(fù)困難等，應(yīng)用效果較差[2]。水性標(biāo)線無毒環(huán)保，但是對施工要求高，耐久性差，導(dǎo)致其推廣應(yīng)用受到限制。雙組份道路標(biāo)線是由兩種或兩種以上的組份組成，以一定比例混合均勻并通過化學(xué)反應(yīng)形成的耐久性涂層，具有對玻璃珠粘結(jié)強(qiáng)，持續(xù)反光優(yōu)異且環(huán)保效益好等優(yōu)點(diǎn)，值得進(jìn)一步提升并推廣。

樹脂是雙組份標(biāo)線涂料的主要成分，提供了涂料的力學(xué)性能。樹脂的性能易受環(huán)境的影響，導(dǎo)致其狀態(tài)改變直至損壞變質(zhì)，即“老化”[3]。王卓等[4]采用丙烯酸樹脂制備遮熱鋪裝材料并進(jìn)行紫外老化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該遮熱鋪裝材料經(jīng)過紫外老化后粘附性、耐水性和抗凍性均變差。為避免雙組份標(biāo)線涂料中的丙烯酸樹脂在后期使用過程中因耐久性不足和老化產(chǎn)生病害，唐永義[5]提出將樹脂分子結(jié)構(gòu)改性,或利用添加助劑的方法來提高涂料的耐候性和耐久性。何德良等[6]采用溶液共聚法，將反應(yīng)型紫外吸收劑分子與丙烯酸脂類單體共聚，合成了紫外吸收型氟硅化丙烯酸樹脂。周友珍[7]使用有機(jī)紫外吸收劑通過共混法制備丙烯酸樹脂涂料，增強(qiáng)了丙烯酸樹脂的抗老化效果。

涂料的老化主要是樹脂的老化和變脆，使得力學(xué)性能受到影響。為提升雙組份標(biāo)線的耐候性能，延緩?fù)苛显诤笃谑褂眠^程中出現(xiàn)的開裂和磨耗等病害，本文通過改變抗UV劑含量，評(píng)價(jià)標(biāo)線涂料在紫外線和濕度（90%）條件下老化前后力學(xué)性能的變化，分析雙組份標(biāo)線涂料的耐候性能。獲得提升雙組份標(biāo)線涂料耐久性的抗UV劑最優(yōu)含量，以提升雙組份標(biāo)線的耐久性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

組份標(biāo)線涂料使用的樹脂是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）樹脂。固化劑選用過氧化二苯甲酰（BPO）。顏料為金紅石型鈦白粉，填料為石英砂和重質(zhì)碳酸鈣。玻璃珠選用1號(hào)玻璃珠，其粒徑分布參照《路面標(biāo)線用玻璃珠》（GB/T 24722-2009）。

1.2 試樣制備

雙組份標(biāo)線涂料由A、B組分組成，按質(zhì)量比1:1進(jìn)行混合。將樹脂、抗UV劑、鈦白粉、重質(zhì)碳酸鈣、石英砂混合，以1000 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌3～5 min。添加玻璃珠，繼續(xù)攪拌1min，獲得A組分?？筓V劑的含量分別為樹脂質(zhì)量的0%、1%、1.5%、2%和2.5%。B組份為固化劑BPO。將B組分加入A組份，引發(fā)PMMA固化反應(yīng)，制得雙組份涂料。

將試件放入紫外線耐氣候試驗(yàn)箱內(nèi)，如圖1所示，溫度為 40℃，濕度為 92%，紫外光照射14天，獲得紫外老化樣品。

圖1 紫外老化試驗(yàn)Fig.1 UV aging test

1.3 分析與表征

1.3.1 耐磨性能

耐磨耗性能試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1768-2006進(jìn)行[8]。試驗(yàn)采用半徑50mm的模具，試驗(yàn)前在模腔涂上一薄層甘油。配置1000g的雙組份涂料倒入模具內(nèi)，使其流平，并在涂料還未完全固化時(shí)在中心處開一直徑約7mm的試孔。在室溫下用磨耗儀進(jìn)行耐磨性能測試。通過測試帶有荷載的橡膠砂輪循環(huán)后的質(zhì)量損失來表征涂層的耐磨性，砂輪循環(huán)200r，每50r記錄一次數(shù)據(jù)。磨耗前后的質(zhì)量損失目標(biāo)值為≤40mg。質(zhì)量損失越少，耐磨性能越好。

1.3.2 抗剪性能

取雙組份標(biāo)線涂料均勻涂抹于剪切模具上，固化后采用剪切強(qiáng)度測試儀測試其剪切強(qiáng)度，目標(biāo)值為≥5MPa。

1.3.3 抗壓性能

將雙組份標(biāo)線涂料倒入至預(yù)先準(zhǔn)備的20mm× 20mm×20mm模具中，每組試樣數(shù)量不少于3塊。將固化后的試塊從模具中取出，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下放置24h后，分別放置在精度不低于0.5級(jí)的電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)球形支座的基板上,調(diào)整試塊位置及球形支座并加壓，測得抗壓強(qiáng)度，目標(biāo)值為≥2MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 耐磨性能

由圖2可以看出，紫外老化前，隨著抗UV劑占樹脂含量的增加，雙組份標(biāo)線涂料涂層的質(zhì)量損耗呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，表明耐磨性能先提高后降低。當(dāng)抗UV劑含量為樹脂含量的2.5%時(shí)，質(zhì)量損耗最大，為41mg；當(dāng)抗UV劑含量為1.5%時(shí)，質(zhì)量磨耗最小為14mg，耐磨性能最好。紫外老化后，雙組份標(biāo)線涂料涂層的質(zhì)量損耗整體上也呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢。當(dāng)抗UV劑含量為樹脂含量的2.5%時(shí)，質(zhì)量損耗最大，為73mg。當(dāng)抗UV劑含量為樹脂含量的1.5%時(shí)，質(zhì)量損失最小，為20mg，為最大值的27.4%。這說明抗UV劑的添加對雙組份標(biāo)線涂料涂層老化前后的耐磨性能變化趨勢沒有影響，且當(dāng)抗UV劑含量為1.5%時(shí)，耐磨性能最好。抗UV劑含量大于1.5%時(shí)，雙組份標(biāo)線涂料涂層的耐磨性能下降，這可能是因?yàn)榭筓V劑中的苯二甲醇是雙分子型光引發(fā)劑，用量增大到一定程度時(shí)便會(huì)失去作用[9]，在磨耗過程中使雙組份標(biāo)線涂料涂層的質(zhì)量損失增大。

對比圖2紫外老化前后的質(zhì)量損耗變化值發(fā)現(xiàn)，使用了抗UV劑的標(biāo)線涂料涂層試塊老化后的耐磨性能得到了明顯改善。未使用抗UV劑時(shí)，標(biāo)線紫外老化前后的質(zhì)量損失變化值為35mg。使用了1.5%的抗UV劑后，標(biāo)線涂料涂層的質(zhì)量損失變化值最小為6mg。磨耗前后的質(zhì)量損失目標(biāo)值為≤40mg。因此，抗UV劑含量為1.5%的標(biāo)線涂料涂層在紫外老化前后的耐磨性能均達(dá)到目標(biāo)要求。

圖2 老化前后抗UV劑含量對雙組份標(biāo)線涂料涂層磨耗性能的影響Fig.2 The influence of anti-UV agent content before and after aging on the abrasion performance of two-component marking

2.2 抗剪性能

由圖3可知，抗UV劑的加入使得雙組份標(biāo)線涂料涂層的抗剪性能略有降低，但隨著抗UV劑含量的增加，雙組份標(biāo)線涂料涂層的抗剪強(qiáng)度先升高后降低。其中，抗UV劑含量為樹脂含量的1.5%時(shí)，抗剪強(qiáng)度最大，為7.13MPa。紫外老化后，不加抗UV劑的雙組份標(biāo)線涂料涂層的抗剪強(qiáng)度最小，僅3.80MPa，雙組份標(biāo)線涂料涂層的抗剪強(qiáng)度隨著抗UV劑的含量提高呈現(xiàn)上升趨勢。其中，抗UV劑含量為樹脂含量的2.5%時(shí)，抗剪強(qiáng)度最大，為5.65MPa。因此，抗UV劑顯著提升了雙組份標(biāo)線涂料涂層紫外老化后的抗剪性能。

圖3 老化前后抗UV劑含量對雙組份標(biāo)線涂料涂層抗剪強(qiáng)度的影響Fig.3 The influence of anti-UV agent content before and after aging on the shear strength of two-component marking

由圖3還可知，添加抗UV劑使得抗剪強(qiáng)度變化值變小?？筓V劑可以有效地保持雙組份標(biāo)線老化前后的抗剪性能，這可能是因?yàn)殡p組份標(biāo)線涂料涂層經(jīng)過改性以后, 分子鏈活動(dòng)能力增強(qiáng), 同時(shí)表面活性點(diǎn)增多，在基體中可以起到很好的物理交聯(lián)點(diǎn)的作用，從而抗剪強(qiáng)度上升。隨著抗UV劑含量的提高，老化前后雙組份標(biāo)線涂料涂層抗剪強(qiáng)度的變化值趨于穩(wěn)定。綜合考慮成本和抗剪強(qiáng)度，抗UV劑含量為1.5%時(shí)為最佳。

2.3 抗壓性能

從圖4可以看出，抗UV劑的加入可以提高雙組份標(biāo)涂層的抗壓強(qiáng)度，且隨著抗UV劑含量的增加，雙組份標(biāo)線涂料涂層的抗壓強(qiáng)度提高。不加抗UV劑時(shí)，雙組份標(biāo)線涂料涂層的抗壓強(qiáng)度為36.0MPa，當(dāng)抗UV劑含量為樹脂含量的2.5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大，為38.9MPa。這可能是因?yàn)樗砑拥目筓V劑均勻地分布在涂層中，起到了剛性支撐的作用, 有效地阻止了其塑性變形的發(fā)生[10]。紫外老化后，雙組份標(biāo)線涂料涂層的抗壓強(qiáng)度隨抗UV劑的含量變化趨勢與老化前一致。使用了抗UV劑的試塊老化后的抗壓性能得到了明顯改善。未使用抗UV劑時(shí)，涂層老化后的抗壓強(qiáng)度為25.2MPa，而在使用了一定量的抗UV劑后，涂層的抗壓性能隨著抗UV劑量的增加而提高，最高可達(dá)到37.9MPa。

圖4 老化前后抗UV劑含量對雙組份標(biāo)線涂料涂層抗壓強(qiáng)度的影響Fig.4 The influence of anti-UV agent content before and after aging on the compressive strength of two-component marking

老化前后雙組份標(biāo)線涂料涂層的抗壓強(qiáng)度變化值因抗UV劑的加入而顯著降低，抗UV劑有效地減緩了紫外老化對雙組份標(biāo)線的影響，使得雙組份標(biāo)線涂料涂層的抗壓性能得以保持。

3 結(jié)論

本文研究了抗UV劑含量對雙組份標(biāo)線涂料涂層耐久性的影響?？筓V劑含量的增加可以提高雙組份標(biāo)線涂料的耐候性。隨著抗UV劑含量的增加，老化后的雙組份標(biāo)線涂料涂層的力學(xué)性能均有所改善。抗UV劑含量為樹脂含量的1.5%時(shí)，能夠最有效地降低紫外老化的影響。