沥青路面用水性环氧热反射涂料的制备及性能

曹雪娟*，刘攀，刘月娥，刘誉贵，杨帆

（1.重庆交通大学材料科学与工程学院，重庆 400074；

2.重庆交通大学交通土建工程材料国家地方联合工程实验室，重庆 400074）

【涂料】

沥青路面用水性环氧热反射涂料的制备及性能

曹雪娟1,2,*，刘攀1，刘月娥1，刘誉贵1，杨帆1

（1.重庆交通大学材料科学与工程学院，重庆 400074；

2.重庆交通大学交通土建工程材料国家地方联合工程实验室，重庆 400074）

采用相反转法制备了水性环氧乳液，以其为成膜物质，TiO2、SiO2和中空微珠为功能填料，制备了用于沥青路面上的热反射涂料。通过计算涂覆涂层试片与未涂覆涂层试片的温差来评价热反射涂层的降温效果。根据正交试验结果得到白色涂料的最佳配方为：固含量为40%的水性环氧乳液100.0 g，TiO27.0 g，SiO22.5 g和中空微珠2.0 g。在此基础上加入2%铁红颜料不仅可以使涂层呈现较好的视觉效果，且不会太影响其降温效果。热反射涂料的涂布量宜为0.9 ～ 1.0 kg/m2，在室外气温为35.2 °C时降温值可达7.6 °C。拉拔试验显示涂层与沥青路面之间的粘附性很好。虽然涂布涂料后路面的抗滑性能下降，但是撒布石英砂作为防滑粒料后就能满足行车安全的要求。

水性环氧树脂；热反射涂层；沥青路面；降温；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

沥青是一种吸热材料，在夏季会造成沥青路面温度远远高于气温，引发严重的车辙危害，并加剧城市的热岛效应[1]，而且高温路面释放出的一些小分子挥发物还会影响环境。在沥青路面涂布一层热反射率高的物质，使热量在进入路面之前被辐射掉，可有效降低沥青路面的温度，减少路面车辙危害，缓解城市热岛效应，改善人居环境。但由于路面受到行车荷载的影响，对材料使用条件要求苛刻，直至21世纪，热反射材料才首次应用在路面中[2]。

早期研究者以硅丙乳液[3-4]、丙烯酸树脂[5-6]、不饱和聚酯[7-8]等为基料制备路用热反射涂料，取得了良好的效果，但涂层在使用一段时间后出现不同程度的剥落及降温性能下降等问题，难以大规模推广应用。随后，研究者以耐磨性和粘附性较好的环氧树脂为成膜物质，制备耐磨性优良的路用热反射涂料[9-10]。然而，当前所用的基料树脂大部分为溶剂型，施工时有机挥发物(VOC)较高，对环境污染大，危害人体健康。近年来，随着环保要求不断提高，水性化必将是路用热反射涂料的新出路。本文选用水性环氧树脂作为成膜物质，同时加入折光系数高的金红石型TiO2，耐磨消光的沉淀相SiO2，以及隔热降温的中空微珠，制备了综合性能较优的路用热反射涂料，以期为路用水性热反射涂料的研究提供借鉴。

1 实验

1.1 原材料

凤凰牌 E51 环氧树脂[透明的均匀流体，环氧当量(190 ± 5) g/mol，25 °C 时黏度为 10000 ～ 16000 mPa·s，25 °C时密度为1.11 g/mL，无机氯≤50 mg/kg]，南通星辰合成材料有限公司；BH-560水性环氧固化剂(淡黄色均匀流体，固含量 50% ± 2%，活泼氢当量200固体分，25 °C 时黏度为4000 ～ 7000 mPa·s，pH 8.5，相对密度 1.06)，东莞黑马化工公司；聚乙二醇 4000，成都市科龙化工试剂厂；过硫酸钾，上海埃彼化学试剂有限公司；金红石型TiO2，杭州万景新材料有限公司；沉淀相SiO2，宜宾五粮液集团精细化工公司；中空微珠，上海向岚化工公司；铁红、石英砂，市售；超纯水，自制。

1.2 仪器

申科S212恒速搅拌器、W201D恒温水浴锅，上海申顺生物科技有限公司；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器，巩义市予华仪器有限责任公司；EDF-550实验室多功能分散研磨机，上海易勒机电设备有限公司；DHG-9023A电热恒温鼓风干燥箱，上海齐欣科学仪器有限公司；NDJ-79旋转黏度计，上海昌吉地质仪器有限公司；温度记录仪，杭州路格科技有限公司。

1.3 乳化剂的制备

取120.0 g聚乙二醇4000和11.8 g环氧树脂于三口烧瓶中，65 °C水浴熔化，300 r/min搅拌30 min，缓慢加入引发剂(0.4 g过硫酸钾 + 10 mL超纯水)，混合均匀后在180 °C油浴下搅拌(310 r/min)反应4.5 h，即得乳化剂。

1.4 水性环氧乳液的制备

采用相反转法，取75.0 g环氧树脂和15.0 g乳化剂于烧杯中，水浴60 °C，转速3500 r/min，根据所需固含量逐滴加水，控制在20 ～ 30 min内加完，然后继续剪切30 min，即可制得水性环氧乳液。

1.5 水性环氧热反射涂料的制备

向100.0 g水性环氧乳液中依次加入一定量的TiO2、SiO2、中空微珠等颜填料以及消泡剂、分散剂等助剂(用量0.8% ～ 1.0%)，再按质量比0.8∶1.0加入固化剂，低速搅拌均匀后得到热反射涂料。

1.6 性能检测

1.6.1 乳液的固含量

称取3.0 g左右乳液于锡箔纸中，在105 °C下烘干至恒重，进行2个平行测试，按质量法测乳液的实际固含量，根据所需固含量来确定加水量。

1.6.2 热反射涂层的降温效果

采用如图1所示的自制降温效果测试装置[8]，选择光谱类似太阳光的1000 W碘钨灯，将其置于试件上方30 ～ 40 cm处，利用电机带动其旋转以保证照射的均匀性。将热反射涂料涂覆在15 cm × 15 cm的马口铁板上，与空白铁板一起平放在箱体底部，测量涂层的降温值，确定最佳配方。另外将料涂覆在15 cm × 15 cm × 5 cm的AC-13沥青混凝土试件上，以测试其室内外降温效果。

1.6.3 热反射涂层的粘附性能

图1 涂层降温效果测试装置Figure 1 Device for testing the cooling effect of a coating

将热反射涂料涂覆在成型的车辙板试件表面，待其完全固化后，采用快干高强度的 AB胶将拉拔测试仪的拉头粘结在涂层表面，2 h后测试拉头脱离试件时的力，以此评价其粘附性能。

1.6.4 热反射涂层的抗滑性能

用分层涂装的方式添加石英砂：首先在试件表面涂布一定量的热反射涂料，紧接着撒布0.6 ～ 0.8 kg/m2的石英砂，撒布时应尽量均匀；待第一层涂层固化，石英砂被粘住后，涂布第二层涂料。利用天津市华通实验仪器厂BM-3型摆式摩擦因数测定仪研究热反射涂层试件的抗滑性能。

2 结果与讨论

2.1 水性环氧热反射涂料的制备

2.1.1 TiO2用量的影响

在100.0 g水性环氧乳液(固含量为40%，下同)，3.0 g SiO2，2.0 g中空微珠的条件下，考察了TiO2用量对涂料性能的影响，结果如图2所示。在TiO2用量较少时，黏度增加缓慢，降温值增加较快，随着TiO2用量增多，黏度增长趋势变大，降温值增加幅度变小。金红石型TiO2的折光系数大，能显著影响涂层的降温效果。当TiO2用量为8.0 g时，相比未掺加TiO2时，温度降低了将近7 °C。继续增加TiO2用量，因试件表面已达饱和，故降温趋于平缓，且填料用量增加，涂料的固含量和黏度随之增大，不利于施工。因此选择TiO2用量为6.0 ～ 8.0 g。

2.1.2 SiO2用量的影响

在100.0 g水性环氧乳液，6.0 g TiO2，2.0 g中空微珠的条件下，考察了SiO2用量对涂料性能的影响，结果如图3所示。SiO2不仅可以改善涂层的耐磨性和抗滑性能，而且能降低涂层的折光系数，减弱反光现象。但随着SiO2用量增加，涂层的降温值先是大幅下降，随后下降趋势放缓。这是因为SiO2的粒径较大，能增大涂层表面的粗糙度，而粗糙度越大，吸收太阳辐射则越多；另外SiO2含量增多，TiO2的含量就相对降低，所以减弱了涂层的降温效果。还有，涂料的黏度随SiO2用量增加也逐渐增大，当SiO2用量超过3.0 g时，涂料黏度增长较快。综合考虑，SiO2用量以2.0 ～ 3.0 g为宜。

图2 TiO2用量对涂料黏度和降温值的影响Figure 2 Effect of TiO2amount on viscosity of coating and temperature drop

图3 SiO2用量对涂料黏度和降温值的影响Figure 3 Effect of SiO2 amount on viscosity of coating and temperature drop

2.1.3 中空微珠用量的影响

在100.0 g水性环氧乳液，6.0 g TiO2，2.0 g SiO2的条件下，考察了中空微珠用量对涂料性能的影响，结果如图4所示。

图4 中空微珠用量对涂料黏度和降温值的影响Figure 4 Effect of hollow microsphere amount on viscosity of coating and temperature drop

中空微珠对涂料的黏度影响较大，主要是由于其密度较小。当中空微珠用量少于2.0 g时，黏度变化较慢；中空微珠增多，黏度急速上升，至5.0 g时，黏度相比未加入中空微珠的涂料的黏度增大了一倍。仅从黏度考虑的话，中空微珠用量不宜超过2.0 g。涂层的降温效果随中空微珠用量增加呈现先提高后降低的趋势。中空微珠有良好的隔热作用，在一定范围内增加其用量，能增强涂层的降温性能。当其用量为3.0 g时，涂层降温值最大。继续增多用量，体积较大的中空微珠遮盖了TiO2，反而导致涂层的降温性能下降。综合考虑黏度和降温性能，选择中空微珠用量为2.0 ～ 3.0 g。

2.1.4 正交试验

在水性环氧乳液用量一定(100.0 g)的情况下，以TiO2用量、SiO2用量和中空微珠用量为考察因素，以涂料的运动黏度和涂层的降温值为考察指标，采用三水平三因素正交试验研究水性环氧热反射涂料的最佳配方，结果见表1。

表1 正交试验结果Table 1 Result of orthogonal test

本试验希望获得一种降温值高且黏度低的涂料，但某些影响因素变化会造成一部分性能提高而另一部分性能降低。因此，按功效系数法选取涂料的最佳配比，即：若第 i个考核指标效果最好，规定该指标的功效系数为1，记d = 1，其余各考核指标的功效系数为该指标值与最好指标值的比值。对于越低越好的指标，将其最低值记为1，其余取值为最低指标与该指标的比值[11]。

从表1可知，第8号试验的总功效系数d最大，其值为0.951，相应的试验条件为：TiO2用量8.0 g，SiO2用量2.5 g，中空微珠用量2.0 g。此时可获得较低的黏度和较好的降温效果。影响因素的主次顺序为中空微珠用量 ＞ SiO2用量 ＞ TiO2用量。为修正或验证最佳配方，设计了对比方案列于表2。

表2 正交试验中最优组与两组对比试验的结果Table 2 Results of the optimal group in orthogonal test and two comparative test groups

虽然对比方案2的降温值较正交试验第8组的降温值略低，但其黏度也更低，且TiO2用量较少，节约成本。由此最终确定白色水性环氧热反射涂料的配方为：100.0 g固含量40%的水性环氧乳液，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

白色涂层不但易被污染，而且具有较强的反光性，长久注视令人眼睛感到不适，极大地影响道路行车安全。因此需进一步配制彩色涂料以满足路面使用需求。本文选用铁红为彩色颜料，对比不同铁红添加量所制涂层的降温效果，结果见图 5。加入铁红颜料降低了涂层的降温性能，且随着颜色加深，降温值逐渐减小。当铁红颜料的质量分数为 1%时，降温效果略有下降，但仍易产生视觉疲劳；当掺量大于3%时，降温效果下降明显；当掺量为 2%时，既满足人眼舒适度要求，又保持了良好的降温效果。因此选择铁红掺量为2%。

图5 铁红颜料掺量对涂层降温效果的影响Figure 5 Effect of iron oxide red content on cooling effect of coating

2.2 水性环氧热反射涂层的降温效果

2.2.1 涂布量对降温效果的影响

在沥青混凝土表面涂布水性环氧热反射涂料，测试了涂料的涂布量不同时所得涂层的降温值，结果如图6所示。随着涂布量增加，降温值不断增加，最后趋于稳定。当涂布量较少时，涂层较薄，其表面的TiO2分布稀疏，故降温值较小。当涂层厚度增加到一定程度，TiO2在表面的量饱和，涂层的降温趋于稳定。考虑到经济性，涂布量宜为0.9 ～ 1.0 kg/m2。

图6 涂料涂布量对其降温效果的影响Figure 6 Effect of coating weight on its cooling effect

2.2.2 试件温度对降温效果的影响

测试了试件在不同温度下的降温值，结果如图7所示。可见涂层的降温效果随试件温度的增加而增大，这表明路面温度越高，水性环氧热反射涂料的降温效果越明显。当温度为60.0 °C时，涂层降温值可达11.7 °C。因此，在炎炎夏季该涂料能有效降低沥青路面温度。

2.2.3 太阳辐射下降温效果的评价

图7 试件温度对涂层降温效果的影响Figure 7 Effect of specimen’s temperature on cooling effect of coating

取2块AC-13沥青混凝土车辙试件，其中一块作为空白对照板，另一块按涂布量为0.9 ～ 1.0 kg/m2进行涂布，然后把它们放置在空旷且可直接暴露在太阳光照射下的地方。将温度传感器埋入距试件表面2 cm处的孔中，记录一天当中试件的温度变化，计算降温值，结果如图8所示。在太阳辐射下，随着时间推移，2块试件的温度都是先升高后降低，降温值也是类似的变化趋势。在下午14:00 ～ 15:00时，室外气温为35.2 °C，试件温度也最高，此时的降温值最大，为7.6 °C。

图8 涂层的室外降温效果Figure 8 Cooling effect of the coating outside

2.3 水性环氧热反射涂层的粘附性能

涂料与沥青路面的粘结性能将影响涂层的耐久性。图9显示了拉拔试验后试件的破坏情况。测得拉头脱离试件时的力是1.33 kN，可见涂层自身的粘附性较好，拉裂面大部分为沥青与石料的结合面，这表明水性环氧热反射涂料与沥青路面具有良好的粘附性。

图9 拉拔试验后涂层的状况Figure 9 Photo showing the coating after pull-off strength test

2.4 水性环氧热反射涂层的抗滑性能

在沥青路面上涂布涂料势必会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列出了不同情况下涂层摆值的测定结果以及加入石英砂后涂层降温值的变化。

表3 涂覆涂层的沥青路面撒布石英砂前后的摆式仪摆值Table 3 British pendulum number of the coated asphalt pavement before and after bestrewing with quartz sands

涂布涂料后，沥青试件的摆值低于40 BPN，未达到规范要求[12]。这是因为涂料会降低沥青试件的摩擦因数及构造深度，所以抗滑性能下降。石英砂颗粒大而凸出表面，能增大涂层的表面粗糙度，使其抗滑性明显提高，加入了石英砂的涂层已完全满足行车安全的要求。同时，石英砂对涂层降温效果的影响较小。

3 结论

(1) 随着颜填料用量增加，热反射涂料的黏度增大。在一定范围内增加TiO2和中空微珠的用量对涂层的降温效果有积极作用，而SiO2用量的增加却降低涂层的降温值。

(2) 水性环氧热反射涂料的最佳配方为：100.0 g固含量40%的水性环氧乳液，7.0 g TiO2，2.5 g SiO2和2.0 g中空微珠。建议铁红颜料的掺量为2%。

(3) 水性环氧热反射涂料的降温效果随涂层厚度的增加而增强到一定程度后趋于稳定，涂布量宜为0.9 ～ 1.0 kg/m2。

(4) 水性环氧热反射涂层与沥青路面具有良好的粘附性能，但涂层会降低沥青路面的抗滑性能。撒布石英砂后，涂层的抗滑性能明显提高，可满足行车安全的要求，且不影响降温效果。

[1]张洪华, 王鑫, 林声, 等.路用降温涂层施工工艺研究[J].筑路机械与施工机械化, 2014, 31 (6): 47-50.

[2]曹雪娟, 刘攀, 李瑞娇, 等.路用热反射涂料的研究进展[J].电镀与涂饰, 2016, 35 (18): 943-948.

[3]冯德成, 张鑫.热反射涂层开发及路用性能观测研究[J].公路交通科技, 2010, 27 (10): 17-20, 34.

[4]张静.沥青路面热阻及热反射技术应用研究[D].哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 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.降低沥青路面温度的热反射涂层性能研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版), 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]邓琰荣.沥青路面太阳热反射涂层组成设计及路用性能研究[D].西安: 长安大学, 2012.

[11]刘数华, 冷发光, 罗季英.建筑材料试验研究的数学方法[M].北京: 中国建材工业出版社, 2006: 155-157.

[12]交通部公路科学研究院.公路路基路面现场测试规程: JTG E60–2008 [S].北京: 人民交通出版社, 2008.

[ 编辑：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

国家自然科学基金（51408088）；重庆交通大学研究生教育创新基金（20150103）；重庆教育委员会科技项目（KJ500524）。

曹雪娟（1979–），女，四川邻水人，博士，教授，主要从事路面材料研究。

作者联系方式：(E-mail) 787461693@qq.com。

10.19289/j.1004-227x.2017.18.001