绢云母增强环氧树脂复合涂层的制备及性能研究

陈 阳，罗顺杰，王新祥，，王元光，韦江雄，余其俊

（1、广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广州 510500；2、华南理工大学 广州 510641；3、广东省建设工程质量安全检测总站有限公司 广州 510500）

0 引言

随着海洋战略及沿海经济的快速发展，越来越多的混凝土结构如跨海大桥、钻井平台、人造岛屿等出现在海洋工程建设中。作为海洋工程中使用最广的建筑材料，混凝土使用量也在不断地增加。但是在严酷的海洋环境下，混凝土结构在服役过程中会遭受水、氯离子、硫酸盐离子等腐蚀性介质的侵蚀，出现多种形式的劣化，导致许多混凝土结构在使用周期内因耐久性失效而受到破坏［1-2］。由于我国大规模开展基础海洋工程建设，混凝土结构在海洋环境下的耐久性防护问题将日益突出，成为目前研究的热点之一。

目前提高混凝土耐久性主要有2种方法［3-6］：①提高混凝土自身耐久性，通过改变混凝土的组分，添加矿物掺合料等方法来增强混凝土的密实性，减少外界腐蚀介质的侵入，这种方法只能在新建的混凝土结构中使用；②在混凝土表面涂刷涂层，不仅能有效提高混凝土的耐久性，也可对已建成的混凝土进行修复，施工工艺简单，成本较低，具有一定的实际应用价值及经济效益。目前市场上使用的大部分混凝土表面涂层为有机涂层，其存在着使用寿命和防护效果不佳的缺点［7-8］。本文通过片层状绢云母改性环氧树脂成功制备出绢云母增强环氧树脂复合涂层，研究了复合涂层的渗透能力、拉拔强度、抗紫外老化性能，为混凝土防护涂层的制备提供了新方法。

1 实验

1.1 原料

1.1.1 绢云母

本实验采用深圳某公司生产的绢云母粉，其粒度分布曲线如图1所示，D50为13.27µm，其主要化学组成如表1所示。

表1 绢云母化学组成Tab.1 Chemical Composition of Sericite

图1 绢云母粒度分布曲线Fig.1 Particle Size Curve of Sericite

1.1.2 环氧树脂

本研究所使用的环氧树脂为工业级的E-51 双酚A 型环氧树脂，为南通星辰合成材料有限公司生产，根据《双酚-A 型环氧树脂：GB/T 13657—1992》，其技术指标如表2 所示。用于改性的丙酮、糠醛试剂为天津某公司生产，固化剂二乙烯三胺（DETA）、2，4，6-三（二甲氨基甲基）苯酚（DMP-30）为上海某公司生产，均为分析纯。

表2 E-51环氧树脂技术指标Tab.2 Technical Index of E-51 Epoxy

1.2 复合涂层的制备

绢云母原样的SEM 图如图2 所示。由图2 可知，绢云母呈现不规则多层堆叠的片层状结构，其拥有较高的径厚比，表面存在着少量的杂质。其层间距较小，同时堆叠的层数较少。

图2 绢云母的SEM图Fig.2 SEM Image of Sericite

本研究中使用的渗透型环氧树脂的粘度低，有一定的渗透润湿性能。将不同掺量（3%、6%、9%、12%）的绢云母粉添加到环氧树脂中，经过高速（1 500 r/min）搅拌分散15 min，然后将对应的环氧树脂固化剂加入到复合体系中，再进行高速（1 500 r/min）搅拌分散15 min，制备出绢云母增强环氧树脂复合涂层，最后对复合涂层进行性能测试。

1.3 性能测试方法

1.3.1 拉拔强度测试

按照《建筑防水涂料试验方法：GB/T 16777—2008》［9］进行复合涂层的拉拔强度测试。将复合涂层涂刷在标准砂浆试样上并进行切割制样，在显微镜下进行观察测试，对比不同掺量绢云母增强环氧树脂复合涂层的渗透性能。

1.3.2 抗紫外老化性能测试

采用紫外老化模拟高辐照环境老化，紫外老化主要参考《机械工业产品用塑料、涂料、橡胶材料人工气候老化实验方法焚光紫外灯：GB/T 14522—2008》［10］在紫外老化箱中进行。人工加速紫外老化采用UV-313 型紫外光灯管作为模拟老化光源，该灯管的发光光谱能量主要集中在313 nm波长附近。紫外老化条件为辐射度0.50 W/m2，实验温度60 ℃，并以24 h 为1 个周期，通过7 d紫外光照后复合涂层的光泽度损失，来评价绢云母对复合涂层抗紫外老化性能的影响。

2 结果与讨论

2.1 绢云母对复合涂层渗透深度的影响

将制备的绢云母增强环氧树脂复合涂层涂刷在混凝土表面，待硬化后切割得到侧面实物图，如图3所示，可以清晰看到3种不同的区域，即黑色区域为复合涂层，棕色区域为渗透环氧树脂层（复合涂层中渗透型环氧树脂可渗入距表面3 mm 左右的混凝土孔隙中），白色区域为混凝土层。

图3 复合涂层渗透实物Fig.3 Penetrating of Composite Coating

使用扫描电镜对切割的涂覆有复合涂层的混凝土试样进行观察，复合涂层与混凝土界面区域的SEM 图如图4所示。由图4可清晰看到3个不同的区域，即混凝土层、复合涂层（绢云母区）、复合涂层（环氧树脂区）。绢云母增强环氧树脂复合涂层涂刷在混凝土表面后，复合涂层中渗透型环氧树脂会自动渗入混凝土表面的孔隙中，随着渗透型环氧树脂的渗入，绢云母随之在混凝土表面层堆叠，形成了无机保护层结构。

图4 复合涂层的SEM图Fig.4 SEM Image of Composite Coating

绢云母掺量对复合涂层渗透深度的影响如图5所示，由图5 可知，当绢云母的掺量为0%时，环氧树脂的渗透深度为193.86 µm。随着绢云母的加入，制备的复合涂层的渗透深度随着掺量的增加先增大后减小，都大于原环氧树脂的渗透深度。这说明绢云母的加入并没有影响环氧树脂涂层的渗透能力。当绢云母掺量为9%时，其渗透深度最大，达到320µm，而当绢云母掺量大于9%时，其渗透深度会有一定的下降。

图5 绢云母掺量对复合涂层渗透深度的影响Fig.5 Effect of Sericite Contents on Penetrating Depth of Composite Coatings

2.2 绢云母对复合涂层拉拔强度的影响

不同绢云母掺量对复合涂层拉拔强度的影响如图6所示，当绢云母掺量为0%时，环氧树脂涂层的拉拔强度为4.34 MPa。随着绢云母掺量的增加，改性复合涂层的拉拔强度都有一定的提高。当绢云母的掺量为9%时，改性的复合涂层的拉拔强度最高，为5.19 MPa；当绢云母的掺量大于9%时，复合涂层的拉拔强度会有一定的下降，说明适量的绢云母改性环氧树脂，可提高复合涂层的拉拔强度，当绢云母掺量超过最佳掺量时，对复合涂层的拉拔强度有一定的负作用。这与上述的不同绢云母掺量增强环氧树脂复合涂层的渗透深度结果保持一致，可见复合涂层的渗透深度与其拉拔强度呈正相关，过量的绢云母会影响复合涂层的渗透深度，进而影响复合涂层与混凝土基底的粘结力，因此绢云母的最佳掺量为9%。

图6 绢云母掺量对复合涂层拉拔强度的影响Fig.6 Effect of Sericite Contents on Pull-out Strength of Composite Coatings

2.3 绢云母对复合涂层抗紫外老化性能的影响

对不同掺量绢云母增强环氧树脂复合涂层进行抗紫外老化性能测试，绢云母掺量对复合涂层光泽度的影响如图7 所示。当绢云母掺量为0%时，环氧树脂涂层在紫外光照7 d 后光泽度损失为42.03%，不同掺量（3%、6%、9%、12%）绢云母增强环氧树脂复合涂层的光泽度损失分别为31.65%、28.71%、22.75%、35.14%。复合涂层的光泽度损失都较原环氧树脂涂层要少，说明绢云母能够有效提高复合涂层的抗紫外老化性能。当绢云母掺量为9%时，光泽度损失最少，复合涂层抗紫外老化能力最佳。

图7 绢云母掺量对复合涂层光泽度的影响Fig.7 Effect of Sericite Contents on Gloss of Composite Coatings

3 结论

⑴绢云母的加入可提高绢云母增强环氧树脂复合涂层的渗透能力。

⑵合适掺量的绢云母可提高复合涂层的性能。当掺量为9%时，绢云母增强环氧树脂复合涂层的拉拔强度可达5.19 MPa，与混凝土的粘结性能最好。

⑶绢云母的加入可提高环氧树脂涂层的抗紫外老化性能，当掺量为9%时，复合涂层的抗紫外老化性能最佳。