水性有机硅改性环氧树脂防护涂层的制备及性能_何丽红.pdf

66 DOI:10.19289/j.1004-227x.2023.04.011 水性有机硅改性环氧树脂防护涂层的制备及性能水性有机硅改性环氧树脂防护涂层的制备及性能 何丽红1,*，杨克1,2，谷颖佳1，马悦帆1,2，郝增恒3 1.重庆交通大学材料科学与工程学院，重庆 400074 2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112 3.重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 400060 摘要：摘要：利用二甲基二氯硅烷(DMDCS)与环氧树脂 E51 合成有机硅改性环氧树脂并水性化，与高岭土复合得到水性有机硅改性环氧树脂涂料，以拉伸强度和粘结强度优选高岭土掺量，并考察了其涂层的防护性能。结果表明，高岭土掺量为 5%时，涂层的粘结强度和拉伸强度分别为 2.08 MPa 和 46.55 MPa。该涂层具有优良的疏水性、耐热性、耐蚀性、抗紫外老化性能及抗氯离子渗透性能，将其应用于混凝土表面可有效保护混凝土结构。关键词：关键词：水性环氧树脂；有机硅改性；高岭土；混凝土；防护涂层；抗紫外老化；抗氯离子渗透 中图分类号：中图分类号：TB332 文献标志码：文献标志码：A 文章编号：文章编号：1004 227X(2023)04 0066 07 Preparation and properties of waterborne organosilicon-modified epoxy protective coating HE Lihong 1,*,YANG Ke 1,2,GU Yingjia 1,MA Yuefan 1,2,HAO Zengheng 3 1.School of Materials Science and Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China 2.Jiangsu Transportation Institute Co.,Ltd.,Nanjing 211112,China 3.Chongqing Zhixiang Paving Technology Engineering Co.,Ltd.,Chongqing 400060,China Abstract:An organosilicon-modified epoxy resin was synthesized from dimethyldichlorosilane(DMDCS)and epoxy resin E51 and then dispersed in water.The dispersion was added with kaolin,forming a waterborne organosilicon-modified epoxy paint.The dosage of kaolin was optimized according to the tensile strength and adhesion strength testing results of the coating.The protection performance of the coating was studied.The results showed that when the dosage of kaolin was 5%,the adhesion strength and tensile strength of the coating were 2.08 MPa and 46.55 MPa,respectively.The coating has excellent hydrophobicity,heat resistance,corrosion resistance,ultraviolet aging resistance,and chloride penetration resistance,being able to provide effective protection for concrete structures.Keywords:waterborne epoxy resin;organosilicon modification;kaolin;concrete;protective coating;ultraviolet aging resistance;chloride penetration resistance 为提高混凝土结构的耐久性，在已建或在建的混凝土结构表面涂刷防护涂层1，施工便捷、成本低，且涂料种类较多，可满足不同工程的需求，是保护混凝土结构最简单有效的方式之一2-4。传统溶剂型涂料可选范围广，但在生产和施工过程中会产生大量挥发性有机物(VOC)和有害空气污染物(HAP)，不仅污染环境，还对施工人员的身体健康造成危害，同时有机溶剂挥发易造成爆炸和火灾，安全性较差5。在“双碳”背景下，涂料行业向绿色低碳方向发展已是大势所趋，必须加快水性化、无溶剂化产品的开发与应用。水性涂料以水为分散介质，其环保性和安全性优于溶剂型涂料6-7，但粘结性能、耐候性、耐化学腐蚀性及耐水性略有不足，这在一定程度上限制了其应用发展8-9。因此，提升水性涂料的应用性能，成为目前研究的热点10。本文采用化学接枝法，将二甲基二氯硅烷(dimethyldichlorosilane，简称 DMDCS)引入环氧树脂中，合成有机硅改性环氧树脂后水性化，再通过添加高岭土，制备了一种有机/无机复合绿色环保型防护涂料，并根据涂层的拉伸强度和粘结强度优选高岭土掺量，考察了涂料的应用性能。收稿日期：收稿日期：20220824 修回日期：修回日期：20221129 基金项目：基金项目：重庆市教委科学技术研究项目（KJZD-K202200701）；重庆市研究生联合培养基地建设项目（JDLHPYJD2018006）；重庆交通大学研究生科研创新项目（2021S0052）。作者简介：作者简介：何丽红（1978），女，教授，研究方向为道路新材料研发与应用。引用格式：引用格式：何丽红,杨克,谷颖佳,等.水性有机硅改性环氧树脂防护涂层的制备及性能J.电镀与涂饰,2023,42(4):66-72.HE L H,YANG K,GU Y J,et al.Preparation and properties of waterborne organosilicon-modified epoxy protective coating J.Electroplating&Finishing,2023,42(4):66-72.水性有机硅改性环氧树脂防护涂层的制备及性能 67 1 实验实验 1.1 原材料及仪器原材料及仪器 环氧树脂 E51(工业级)：江苏南通星辰合成材料有限公司；DMDCS(GC 级，含量大于 98.5%)：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；乙酸丁酯、二月桂酸二丁基锡(DBTDL)、三乙胺、浓硫酸、氢氧化钙(均为分析纯)：成都市科隆化学品有限公司；水性环氧乳化剂(非离子型)、固化剂(多乙烯多胺改性环氧加成物)：实验室自制；高岭土(600 目)：广州鹏远化工有限公司。KH550 硅烷偶联剂：东莞市山一塑化有限公司；成膜助剂、消泡剂(均为工业级)：江苏日出化工有限公司。WDW-2 型万能试验机：上海松顿仪器制造有限公司；XH-3000N 型拉拔试验仪：北京天地星火科技发展有限公司；HARKE-SPCA 接触角测定仪：北京哈科试验仪器厂；DHG-9023A 型电热恒温鼓风干燥箱：上海齐欣科学仪器有限公司；UVH-型紫外老化试验箱：天津市港源试验仪器厂；ZDJ-4A 型自动电位滴定仪：上海仪电科学仪器有限公司。1.2 制备方法制备方法 1.2.1 有机硅改性环氧树脂的合成有机硅改性环氧树脂的合成 将 40 g 环氧树脂 E51 与 20 mL 乙酸丁酯溶剂混合于三口烧瓶，50 机械搅拌至 E51 完全溶解后依次加入 2.0 g DMDCS 和 0.2 g 催化剂 DBTDL，反应过程中加入 10 g 三乙胺中和反应生成的 HCl 气体，促进反应进程。反应 8 h 后，用去离子水洗涤溶液 3 5 次，再减压蒸馏，即得有机硅改性环氧树脂(简称 SER)。合成路线如图 1 所示。图图 1 有机硅改性环氧树脂的合成路线有机硅改性环氧树脂的合成路线 Figure 1 Synthetic route of organosilicon-modified epoxy resin 1.2.2 水性有机硅改性环氧树脂的制备水性有机硅改性环氧树脂的制备 称取 20 g SER 与 5 g 水性环氧乳化剂于烧杯中，65 恒温水浴加热，3 000 r/min 高速分散，待两者混合均匀后缓慢滴加去离子水，发生相反转后继续分散 30 min，以去离子水调节乳液固含量为(50 0.5)%，即得水性有机硅改性环氧树脂(简称 WSER)。按照上述方法乳化环氧树脂 E51，制备固含量为(50 0.5)%的水性环氧树脂(简称 WER)，作参比样品之用。1.2.3 涂料的制备涂料的制备 将 WSER 与固化剂以质量比 21 混合均匀，1 000 r/min 剪切分散 10 min，然后加入一定质量分数的高岭土，搅拌 20 30 min 后依次加入占涂料总质量 4%的成膜助剂、1%的 KH550 及 0.5%的消泡剂，搅拌 30 min后得到 WSER 涂料。按照上述方法制备 WER 涂料，作参比样品之用。1.2.4 涂层的制备涂层的制备 成型 150 mm 150 mm 的 C30 混凝土基板，清除其表面杂质后均匀涂刷上 WSER 涂料，按涂布量为1.5 kg/m2(以涂料总质量计，下同)，室温自然固化 3 d，用于粘结强度、耐热性和抗紫外老化性能测试。水性有机硅改性环氧树脂防护涂层的制备及性能 68 按涂布量 1.5 kg/m2将 WSER 涂料于聚四氟乙烯板中浇筑成涂层试件，室温自然固化 3 d，用于拉伸强度、疏水性、吸水率、耐蚀性和氯离子渗透性能测试。按照上述方法制备 WER 涂层试件，作参比样品之用。1.3 测试方法测试方法 1.3.1 粘结强度粘结强度 采用 AB 胶将直径为 50 mm 的锭子粘在涂层表面，2 h 后采用拉拔试验仪测试涂层的粘结强度，每个试样取 3 点进行测量并取平均值，锭子间距不小于 50 cm。1.3.2 拉伸强度拉伸强度 制作哑铃型试件，采用万能试验机测试涂层的拉伸强度，测试温度 20，拉伸速率 10 mm/min。1.3.3 疏水性疏水性 采用接触角测定仪测量涂层试件与水的接触角，测量前 60 干燥 4 h，每个试件取 5 点(间距不小于 1 cm)进行测量并取平均值。1.3.4 耐热性耐热性 将涂层试件置于 160 的电热鼓风干燥烘箱中，24 h 后取出，观察其表面变化。1.3.5 耐蚀性耐蚀性 将涂层试件分别浸泡于去离子水、2%H2SO4溶液及饱和 Ca(OH)2溶液中，24 h 后取出，观察表观变化。1.3.6 吸水率吸水率 将质量为 m1的涂层试件分别浸泡于去离子水、2%H2SO4溶液及饱和 Ca(OH)2溶液中，24 h 后取出，擦净表面溶液后称重得 m2，按式(1)计算吸水率 W。211100%mmWm=(1)1.3.7 抗紫外老化性能抗紫外老化性能 将涂层试件置于紫外老化箱中人工加速老化7、14、21和28 d，试验参数见表1。表表 1 紫外老化箱试验参数紫外老化箱试验参数 Table 1 Test parameters of UV aging chamber 试验环节 温度 时间/h 紫外照射 50 C 8.0 喷淋 室温 0.5 凝露 50 C 3.5 1.3.8 抗氯离子渗透性能抗氯离子渗透性能 将聚四氟乙烯板中成型3 cm 3 cm的涂层试件以隔膜形式置于自制氯离子渗透装置(见图2)中间，隔膜两侧分别为10%NaCl溶液(记为A侧)与去离子水(记为B侧)，密封静置5、10、15、20和25 d后取B侧溶液，借助电位滴