环氧树脂胶黏剂涂覆木材的防水性能研究

杨友龙，尹业高，熊光晶

（1.汕头大学工学院，广东汕头 515063；2.韩山师范学院计算机科学与技术系，广东潮州 521041；3.汕头大学化学系，广东汕头 515063）

木材是五大建材中唯一可再生的环保节能建筑材料.随着外界温度和湿度的变化，木材容易蒸发或吸收水分，产生干缩或湿胀，导致木材的尺寸不稳定，产生内应力，发生翘曲、变形和开裂，危害结构安全［1］.在潮湿环境下，未设防的木构件极易寄生繁殖木腐菌而致腐朽，导致丧失承载能力［2］.两千多年前中国已开始使用桐油调制油漆涂刷木构件表面，以堵塞一部分纤维孔隙，并形成憎水防护层而达到防水目的.但因植物油产量有限，近现代以来，人工合成高分子涂料开始得到大规模生产和应用.

合成高分子防水涂料根据其状态与成膜过程可分为溶剂型、水乳型和反应型.溶剂型防水涂料由于在干燥成膜时会向空气中散发挥发性有机化合物（volatile organic compound，VOC），对人类生态环境构成一定威胁，许多国家已立法限制涂料中VOC的排放.水乳型防水涂料是环境友好材料，但耐水性不如溶剂型防水涂料.如吕维忠等［3］指出，水性聚氨酯胶膜耐水性较差，无法和溶剂型聚氨酯相媲美.反应型防水涂料是通过预聚体与固化剂发生化学反应成膜（可一次形成致密的厚涂膜），且几乎无收缩，因而耐水性一般比其他类型的防水涂料好.除耐水性外，从环保和长远经济效益考虑，涂料的黏结强度、化学稳定性和耐老化性也是3个关键指标［4－5］.

需说明，近年来环氧树脂（epoxy）胶黏剂已被广泛用来与碳纤维、玻璃纤维布配合，以增强木结构［6－7］.作为增强材料的一部分（承担构件“安全”任务），Epoxy胶黏剂可被视为一种反应型涂料，其黏结强度、化学稳定性和耐老化性这3个关键指标均明显高于普通的防水材料（承担构件“正常使用”任务），并兼具耐水性.Epoxy胶黏剂的耐老化性尤为突出.在强大的风载荷、大气冲刷、砂石粒子冲击、强烈的紫外线照射等恶劣环境侵蚀条件下，Epoxy玻璃钢风力发电机叶片也可持续运转超过25a［8］.国外公司推出的由Epoxy胶黏剂与压碎的玻璃制成的环氧水磨石产品，使用寿命更长达40a［9］.

以往木结构增强与防护均是分两步施工，如对木梁先做梁底面的结构增强（用Epoxy粘贴碳纤维或玻璃纤维）［7］，后做其他表面的涂覆防护，这样既费工又费时.因此笔者提出将Epoxy胶黏剂直接作为木结构表面防水剂的思路，实现增强和防水施工一次完成，以提高增强维护工作的效率，降低后期维护成本.就涂覆Epoxy胶黏剂试样的吸水动力学特性与常用醇酸清漆涂料进行对比试验研究，探讨将Epoxy胶黏剂应用于木结构防水的可行性.

1 试验概述

1.1 试验用材料

试验选用质地不同的3种木材：铁刀木（cassia siamea Lam，鸡翅木类）、水杉（dawn redwood，针叶类）和软木（corkwood，由栓皮栎树皮制成），其编号及特性见表1.其中：水杉木为常见结构用材，铁刀木为优良家具用材，也见于重要木结构建筑，如潮州广济桥上部的亭阁.软木有吸音、保温、防滑和抗静电等优点，可制作地板与墙板等.软木地板使用寿命可达50a以上［10］.在制作试样前，木材已在室内环境下气干超过1a（超过0.5a被动气干要求）.

表1 木材编号、气干密度和产地Table 1 Serial number，air－dry density and place of origin of wood species

防水涂料选用福建省腾龙工业公司生产的醇酸清漆（alkyd varnish）.Epoxy 胶黏剂在现场配制，m（epoxy）∶m（固化剂）为1∶1.本试验选用长沙把兄弟胶黏剂有限公司生产的E－44Epoxy和EP－1固化剂，以及江苏三木公司生产的SM－203高硬度固化剂.由E－44Epoxy与EP－1固化剂调配而成的防护涂料编号为Ep；由E－44Epoxy与SM－203固化剂调配而成的防护涂料编号为Eph；醇酸清漆编号为Var，其固含量约为40%（质量分数）.Ep，Eph，Var涂料的售价分别为40，44，24元／L，使用时均未稀释.

1.2 试样制作及分组

将3种木材分别锯切成20 mm×20 mm×20mm的立方体试样.试样未刨光，以模拟锯切的木构件表面.除控制组试样（素材）外，每种试样分别涂覆3种涂料.每种涂料涂覆的试样共2组（每组3个试样），即分别用刷子涂刷1层（Ⅰ）和2层（Ⅱ）涂料.其中双层涂覆在首层涂覆7d后实施.每种木材制作7组（含控制组），共21个试样.

1.3 试验方法与结果

参照GB／T 1934.1—2009《木材吸水性测定方法》［11］，对所有试样进行全浸吸水率对比试验研究.实验室温度为20～28℃.称量时间点为第1，2，4，8，12，20d，以后每隔10d称量一次.称量前，用吸水纸吸干试样表面水分.70d 后，控制组的吸水率（WA，质量分数）达到极限状态（吸水率的增加值小于5%）［11］，试验停止.吸水率按式（1）计算：

式中：m 为试样吸水后的质量；m0为试样吸水前的质量.

试样的阻水性（WR）按式（2）计算：

式中：WAc为控制组的吸水率；WAt为测试组的吸水率.

2 试验结果讨论

2.1 涂层对极限吸水率的影响

各组试样在全浸水70d后的吸水率和阻水性的平均值见表2.

由表2可见，涂覆单层Epoxy胶黏剂的铁刀木（H）和水杉（F）试样的吸水率比涂覆醇酸清漆者降低了30%以上，表明Epoxy胶黏剂的阻水性显著高于醇酸清漆.其原因可能是Epoxy胶黏剂在成膜过程中形成三维交联结构，分子的刚性增强，阻止了交联固化后分子间的滑动，水分子不易由外向内渗透到水相中［12］.双层涂覆Epoxy 胶黏剂或醇酸清漆H，F试样的70d吸水率比单层涂覆者进一步降低50%以上.

表2 各试样全浸水70d后的吸水率和阻水性Table 2 Water absorption（WA）and water repellency（WR）of various samples after 70dcompletely immersion in water

涂覆单层醇酸清漆的水杉试样其阻水性为负值，说明该涂层没有防水效果.这可能是因为试样本身疏松性差异的影响，加之醇酸清漆涂层没有完全封闭试样表面，致使该组试样的吸水率略大于控制组.Baysal等的研究［13］中也存在类似现象.Epoxy胶黏剂则因黏稠度高，涂覆单层即可有效封闭试样表面.

Epoxy搭配普通固化剂与搭配SM－203高硬度固化剂的阻水性相当，这说明不同固化剂对涂膜的阻水性没有明显影响.

2.2 吸水动力学特性

试验测得铁刀木、水杉和软木试样浸水1～70d的数据，将部分时间点的测试数据列入表3.

表3 试样全浸水吸水量和吸水率与浸水时间的关系Table 3 Relationship of water content（Mt）and WA of various samples vs.immersion time

由表3可见，试样的吸水量在浸水开始阶段迅速增加，其中软木试样的吸水量速度增加最快.64%的铁刀木试样、82%的杉木试样和100%的软木试样在20d后吸水量超过最大吸水量（试验结束时试样吸水量的最大值）的50%.之后，试样吸水量增加速度渐趋平缓.

在各组试样中，涂覆双层Epoxy胶黏剂试样的吸水率增速最缓慢.在浸水2d后，涂覆双层Epoxy胶黏剂的铁刀木和杉木的吸水率分别低于1.0%和1.3%，而控制组的吸水率分别为25.8%和45.4%.在浸水8d后，涂覆双层Epoxy胶黏剂的铁刀木和杉木的吸水率仅为控制组的4%；而涂覆双层醇酸清漆试样的吸水率为控制组的10%～20%.这说明Epoxy胶黏剂的短期防水性能和“70d抗浸水性性能”都是最佳的.究其原因，可能是Epoxy胶黏剂固化后成为三维体型结构，在水中不溶不熔，即使受到长期浸泡也不会吸水，大大提高了防水层的持久性.醇酸清漆成膜后是聚酯的线型结构，且“酯”长期在水中浸泡会有一定程度的水解，因而其防水效果不及Epoxy胶黏剂.

2.3 吸水动力学曲线拟合

水在多孔材料中的传递过程比较复杂，包括吸附、扩散、渗透等多种传输方式.实际上，一般水在多孔材料中的传递是几种传输方式叠加的结果，在一定条件下以其中某种方式为主.当多孔材料的孔中未达到饱和状态时，水分的主要传输方式为扩散［14］.水在木材中的扩散机制可以用Ficker定律描述，根据扩散速度，扩散行为可分为3种类型［15］.

类型1（稳态扩散）：渗透剂流动速度显著低于弛豫速度，在固体物内很快达到平衡状态并保持不变.

类型2：渗透剂流动速度显著高于弛豫速度.这种扩散的特点是湿胀的外层边界以稳定的速度向未浸湿的内部发展，未浸湿的部分持续缩减，直到渗透剂充满试样与外部达到平衡状态.

类型3（非稳态扩散）：渗透剂流动速度与弛豫速度接近，扩散行为介于类型1和类型2之间.

上述3类扩散行为的吸水动力学曲线的形状各异，可用式（3）［15］描述：

式中：Mt是t时刻的吸水量；M∞为平衡状态的吸水量；n为扩散状态选择参数；k为常数.n 值的范围对应着不同的扩散类型：n＝1／2时为稳态扩散（理想菲克扩散）；n≥1时为类型2扩散；1／2＜n＜1时为非稳态扩散.

对式（3）取对数，得：

按式（4）用最小二乘法拟合试验数据，得到各组试样的n和k值（见表4）.典型涂层的水杉试样的吸水动力学拟合曲线见图1，实测数据以“＋”号表示.由图1可见，各组试样的吸水动力学特性均符合Ficker定律，拟合效果良好.各组试样的扩散状态选择参数n值接近0.5（表4），接近理想菲克扩散模型.

将时间的平方根t0.5作X 轴，吸水量作Y 轴，则图1中各曲线均转换成直线（见图2）［16］，图2中各直线的斜率表示按时间平方根的吸收速率.由图2可见，Epoxy胶黏剂涂层可显著降低木材的吸水速率.如控制组（Con）的吸水速率为0.6287，而涂覆双层Epoxy胶黏剂的Eph－Ⅱ试样的吸水速率降至0.0400，仅为Con试样的6.4%，其最大吸水量也处于各组的最低水平.这表明Epoxy胶黏剂是优良的防水剂.

表4 试样的扩散状态选择参数Table 4 Diffusion state selection parameters（n，k）of various samples

3 结论

（1）常用Epoxy－44结构胶黏剂兼具良好的防水效果，单层涂覆Epoxy－44胶黏剂的70d吸水率比醇酸清漆可降低30%以上.

（2）铁刀木和杉木组中，双层涂覆醇酸清漆的70d 吸水率比单层涂覆可降低70%，双层涂覆Epoxy－44胶黏剂的70d吸水率则比单层涂覆可降低50%～90%.

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