弹性无溶剂型环氧地坪涂料的成分分析和性能分析

姜广明，马海旭，肖凯巍，胡 水

（1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2.北京化工大学，北京 100029）

0 引言

无溶剂型环氧地坪涂料具有优良的耐磨、耐介质性能，能够起到保护建筑地面的作用。有些场合下，工程希望使用具有弹性的无溶剂型地坪涂料，这要求材料应当具有一定的拉伸强度、断裂伸长率和柔韧性。无溶剂型聚氨酯地坪涂料具有优良的附着力，同时还具有优异的耐磨性和弹性，很适合作为弹性地坪涂料使用［1］。

由于环氧树脂的柔韧性不如聚氨酯材料，要想提高环氧地坪涂料的耐冲击性和弹性必须在配方中加入一些增韧剂材料［2］，或者在环氧树脂结构上引入橡胶弹性体的成分，以及使用弹性较高的固化剂成分。当无溶剂型环氧地坪涂料中的活性稀释剂的加入比例达到3.0 %～6.0 % 时，无溶剂型环氧地坪涂料的邵氏硬度（D型）可以达到 80 左右，抗压强度可以达到 80 MPa［3］。若无溶剂型环氧地坪涂料的活性稀释剂，如缩水甘油醚的含量高达 20 %～25 % 时，稀释剂的增塑作用明显，无溶剂型环氧地坪涂料的抗压强度则能降低到 20 MPa左右［4］。厦门固克涂料集团有限公司使用拉伸伸长率来反映无溶剂型环氧地坪涂料的柔韧性，不同的采用环氧大豆油作为活性稀释剂的无溶剂型环氧地坪涂料，其伸长率可以从 11 % 调节到 20 %［5］。

本文研究了一款弹性无溶剂型环氧地坪涂料的主漆和固化剂的成分，通过研究不同比例的无溶剂型环氧地坪涂料的力学性能、红外分析、动态热机械分析和热失重分析等，比较了弹性无溶剂型环氧地坪涂料的特点，并给出了配方的调整意见。

1 原材料

本文使用的无溶剂型环氧地坪涂料，样品为棕色。当样品比例为主漆：固化剂=100∶20（w/w）时，无溶剂型环氧地坪涂料的邵氏硬度（D 型）为 75，抗压强度（压缩应变 20 %）为 42 MPa。

为了更好地研究该无溶剂型环氧地坪涂料的物理性能，笔者在原样品比例基础上增加或者减少了一部分固化剂的用量。考察将样品比例更改为主漆：固化剂=100∶15（w/w）和 100∶30（w/w）时，3 种不同比例的无溶剂型环氧地坪涂料的力学性能。

2 实验设备

热失重分析使用德国 Netzsch 公司产品 TG 209 F3 Tarsus®热重分析仪测试；氮气气氛，测试的温度范围为室温 -1 000 ℃，升温速度 10 ℃/min。

抗压强度使用日本 Shimadz 公司生产的 AG-IC 100 kN 万能材料试验机。

红外光谱使用美国 Thermo Fisher SCIENTIFIC 公司生产的 Nicolet 6 700 傅立叶变换红外光谱仪测试，扫描范围为 4 000～400cm-1，分辨率为 4 cm-1。采用 ATR 方式测试涂层的红外光谱。

动态力学性能使用德国 Netzsch 公司生产的 DMA 242 C 型动态力学分析仪测试；采用直径 1 mm 的针入模式，频率为 10 Hz，测试温度范围为室温～120 ℃，升温速度为 3 ℃/min。

3 结果与讨论

3.1 涂料组分的热失重分析

无溶剂型环氧地坪涂料的性能，是由主漆和固化剂的成分，以及它们的配比和反应程度等共同决定的。采用热失重分析方法，来研究无溶剂型环氧地坪涂料的主漆和固化剂的成分；热失重分析的结果如图 1（a）和图 1（b）所示。

图1 无溶剂型环氧地坪涂料的主漆和固化剂的热失重曲线

从图 1（a）可以看出，无溶剂型环氧地坪涂料的主漆的热失重曲线，主要有 5 个失重峰：178 ℃ 和 268 ℃的热失重主要对应着稀释剂成分，质量损失总计约为10 %；418 ℃ 的热失重对应着环氧树脂，质量损失为21 %；598 ℃ 和 693 ℃ 的热失重对应着填料的分解。主漆中的稀释剂的分解温度较低，说明稀释剂成分的分子量较低，有可能不是活性稀释剂，而是普通的稀释剂。主漆在 598 ℃ 的热分解失重，相当于 26 % 的碳酸钙分解；同时主漆的热失重的残重高达 55 %。这说明，主漆中的填料成分非常高，而主漆中的环氧树脂等有机成分的含量较低，仅占 22 %。

从图 1（b）可以看出，无溶剂型环氧地坪涂料的固化剂的热失重曲线主要有 4 个失重峰：98 ℃ 的热失重代表易挥发溶剂和少量的水分的挥发；其含量高达 50 %（经气相色谱分析，固化剂中的水分含量约占 5 %）；248 ℃、373 ℃ 和 453 ℃ 的热失重则对应着多种胺类固化剂成分的分解。固化剂的热失重曲线，说明固化剂中的小分子溶剂成分过高；胺类固化剂的比例不高。

3.2 力学性能

不同比例的无溶剂型环氧地坪涂料的邵氏硬度和抗压强度，如表 1 所示。

表1 不同比例的无溶剂型环氧地坪涂料的力学性能

从表1可以看出，当样品比例为主漆∶固化剂=100∶20 （w/w）时，抗压强度（压缩应变 20 %）接近 GB/T 22374－2018《地坪涂装材料》的要求，抗压强度（破坏）接近 JC/T 1015－2006《环氧树脂地面涂层材料》的要求，抗 压强度（屈服）略低于 HG/T 3829－2006《地坪涂料》的要求。这说明该无溶剂型环氧地坪涂料的硬度不是太硬，弹性较强；测试抗压强度时，当无溶剂型环氧地坪涂料的压缩应变超过 20 % 才发生破坏。当样品比例为主漆∶固化剂=100∶15（w/w）时，无溶剂型环氧地坪涂料的抗压强度（破坏）超过了 80 MPa，此时无溶剂型环氧地坪涂料的抗压强度超过了国内地坪涂料标准的要求，同时还具有一定的弹性。但是当样品比例为主漆∶固化剂=100∶30（w/w）时，无溶剂型环氧地坪涂料的力学性能非常低，该配比下不适于作为地坪涂料使用。

从表 1 还可以看出，当固化剂的比例降低时，最终的无溶剂型环氧地坪涂料的力学性能上升，邵氏硬度（D 型）和抗压强度都逐渐增强。即便是样品比例为主漆∶固化剂=100∶15（w/w）时，无溶剂型环氧地坪涂料仍然有一定的弹性，抗压强度破坏时的压缩应变仍然超过了 20 %。这种特性使得该无溶剂型环氧地坪涂料，与常见的无溶剂型环氧地坪涂料表现出了明显的差别。

3.3 红外分析

不同比例的无溶剂型环氧地坪涂料的红外光谱的结果，如图 2 所示。

图 2 的红外光谱是双酚 A 类的环氧地坪涂料的典型红外光谱。红外光谱图中 1 729 cm-1处是 C=O 的特征峰，1 606 cm-1和 1 507cm-1处是苯环的特征吸收峰，1 245 cm-1处是芳醚的吸收峰，1 181 cm-1处是脂肪族叔胺C-N 吸收峰，1 033cm-1处是仲醇的 C-O 伸缩振动吸收峰，825 cm-1处是环氧基的特征吸收峰。

图2 不同比例的无溶剂型环氧地坪涂料的红外光谱

不同比例的无溶剂型环氧地坪涂料的红外光谱的红外峰几乎完全相同。从图 2 还可以看出，样品比例为主漆∶固化剂=100∶15（w/w）时，无溶剂型环氧地坪涂料的在 825 cm-1处的环氧基的吸收峰比较强。当固化剂的比例提高时，无溶剂型环氧地坪涂料在 825 cm-1处的环氧基的吸收峰明显降低。这是因为固化剂增多时，主剂的环氧基反应的更加完全，环氧基的剩余量减少。

3.4 动态热机械分析

不同比例的无溶剂型环氧地坪涂料的动态热机械分析的结果，如图 3 所示。

图3 不同比例的无溶剂型环氧地坪涂料的动态热机械分析曲线

从图 3 可以看出，当固化剂的比例提高时，无溶剂型环氧地坪涂料的玻璃化温度迅速降低，损耗因子也有大幅度的升高。这有两个方面的原因：一方面由于固化剂的用量提高，无溶剂型环氧地坪涂料的交联程度降低，弹性也增强了；另一方面由于固化剂中的残余溶剂增多，对固化后的无溶剂型环氧地坪涂料的增塑作用也变强了。

不同比例的无溶剂型环氧地坪涂料的玻璃化温度和损耗因子 tanδ最大值的结果如表 2 所示。

表2 不同比例的无溶剂型环氧地坪涂料的玻璃化温度和损耗因子 tan δ 最大值

从表 2 可以看出，当样品中的固化剂的比例从100∶15（w/w）提高到100∶20（w/w）时，无溶剂型环氧地坪涂料的玻璃化温度降低了 19.2 ℃。当样品中的固化剂的比例继续提高到 100∶30（w/w）时，无溶剂型环氧地坪涂料的玻璃化温度又继续降低了 8.2 ℃；此时无溶剂型环氧地坪涂料的玻璃化温度远低于 60 ℃，已经不在无溶剂型环氧地坪涂料的合理范围内。

分别以不同比例的无溶剂型环氧地坪涂料的玻璃化温度和损耗因子 tanδ 最大值为横、纵坐标画图，如图 4 所示。

图4 不同比例的无溶剂型环氧地坪涂料的玻璃化温度和损耗因子 tan δ 最大值的关系图

从图 4 可以看出，选用不同的样品比例时，该样品的玻璃化温度和损耗因子 tanδ最大值之间接近线性变化关系。当样品比例为主漆∶固化剂=100∶15（w/w）时，无溶剂环氧地坪涂料的玻璃化温度，最符合常规的无溶剂型环氧地坪涂料的玻璃化温度。这与该样品比例时，无溶剂型环氧地坪涂料的力学性能最符合地坪涂料的标准是一致的。

不论是何种样品比例，该无溶剂型环氧地坪涂料的弹性损耗都非常低。该无溶剂型环氧地坪涂料的损耗因子 tanδ最大值，明显地低于常规的无溶剂型环氧地坪涂料的损耗因子 tanδ最大值。由于该弹性无溶剂型环氧地坪涂料使用的是弹性较好的环氧树脂和固化剂分子，主漆中的填料成分的比例加入的太高，换言之固化后的无溶剂环氧地坪涂料的树脂成分或者说有机成分的含量太低，所以损耗因子比较低。

3.5 热失重分析

不同比例的无溶剂型环氧地坪涂料的热失重分析的结果，如图 5 所示。

图5 不同比例的无溶剂型环氧地坪涂料的热失重曲线

从图 5 还可以看出，该无溶剂型环氧地坪涂料在200 ℃ 质量损失较大，说明固化后的无溶剂型环氧地坪涂料的挥发性有机物（VOC）含量较高。从图 5 还可以看出，该无溶剂型环氧地坪涂料的最大分解速率温度在 410 ℃ 以下，无溶剂型环氧地坪涂料在 520 ℃ 时能够完全分解。

为了更清晰的看出不同温度时的热失重速率，将无溶剂型环氧地坪涂料的热失重微分曲线绘于图 6 中。

图6 不同比例的无溶剂型环氧地坪涂料的热失重微分曲线

从图 6 可以更加明显地看出，无溶剂型环氧地坪涂料在 200 ℃ 以下的质量损失分为 2 个阶段：第一个失重峰为 87 ℃，对应着来自于固化剂中的残余溶剂；第 2 个失重峰为 150 ℃，对应着来源于主漆中的残余溶剂。从图 6 还可以看出，当固化剂的比例增加时，无溶剂环氧地坪涂料的热稳定性下降，最大分解速率温度下降了近 50 ℃。

不同比例的无溶剂型环氧地坪涂料的 200 ℃ 时的质量损失和最大分解速率温度的结果如表 3 所示。

表3 不同比例的无溶剂型环氧地坪涂料的 200 ℃ 时的质量损失和最大分解速率温度

从表 3 可以看出，当固化剂的比例提高时，无溶剂型环氧地坪涂料的 200 ℃ 质量损失从 4.2 % 提高到 10.8 %，而最大分解速率温度从 405 ℃ 降低到 351 ℃。这说明高溶剂含量的固化剂的比例提高时，无溶剂环氧地坪涂料中的挥发性有机物含量增加；而且由于固化剂的过量，导致无溶剂环氧地坪涂料的交联程度下降，耐热性反而变的更差。

分别以不同比例的无溶剂型环氧地坪涂料的 200 ℃时的质量损失和最大分解速率温度为横、纵坐标画图，如图 7 所示。

图7 不同比例的无溶剂型环氧地坪涂料的 200 ℃ 时的质量损失和最大分解速率温度的关系图

从图 7 可以看出，该样品的 200 ℃ 时的质量损失率和最大分解速率温度随固化剂含量的变化而接近线性变化。当样品配比为主漆∶固化剂=100∶20（w/w）时，无溶剂环氧地坪涂料的 200 ℃ 时的质量损失率，略高于常规的无溶剂型环氧地坪涂料的 200 ℃ 时的质量损失率。当更改样品配比为主漆∶固化剂=100∶15（w/w）时，无溶剂环氧地坪涂料的 200 ℃ 时的质量损失率更低、更合理，同时无溶剂型环氧地坪涂料的力学性能有较大提高，能够达到现行国家标准的要求。

从以上分析可知，该无溶剂型环氧地坪涂料对固化剂的用量比较敏感，混合时应准确地称取固化剂的重量。该无溶剂型环氧地坪涂料的固化剂中含有大量的小分子溶剂，为了更优的使用性能和环保性能，应当适当降低固化剂中小分子溶剂的含量，或者更换为只含有少量溶剂的胺类固化剂。通过适当的调整，使得该无溶剂型环氧地坪涂料具有更良好的性能，并能满足需要使用弹性地坪涂料的特殊场合。

4 结论

本文研究了一种弹性无溶剂型环氧地坪涂料的成分，测试了其力学性能，研究了其红外光谱、玻璃化温度、损耗因子 tanδ最大值、热失重参数等随固化剂用量改变的变化情况，并与普通的无溶剂型环氧地坪涂料进行了比较。根据现有的地坪涂料的检测标准和要求，对该弹性无溶剂型环氧地坪涂料提出了一些要求和改进意见。Q