无溶剂型环氧地坪涂料的力学性能和微观性能的研究

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

有机地坪涂料对建筑地面起到保护、装饰或者发挥特殊功能的作用［1］，成分主要有环氧树脂、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚脲等［2］。无溶剂型地坪基本无挥发性有机物（VOC），使用广泛，其中无溶剂型环氧地坪涂料的使用量最大［3］，主要由环氧树脂和固化剂构成。

有机地坪涂料应有一定的硬度和抗压强度，并能达到耐磨损［4］、耐介质等要求。只有当无溶剂型地坪涂料的树脂、稀释剂和填料等组分合适、配比适当、交联程度合理时，才能够满足国家标准的要求，实现地坪涂料的使用功能［5］。无溶剂型环氧地坪涂料的成分复杂，检测项目众多，测试过程繁琐，而且不合格产品也比较多。研究无溶剂型环氧地坪涂料的化学组分以及固化后的玻璃化温度和热失重等参数，可以从微观角度了解无溶剂型环氧地坪涂料的真实性能，使用少量样品即可判断产品的优劣，避免对不合格产品进行全项目的检测。

本文使用红外分析、动态热机械分析和热失重分析等微观分析方法，对无溶剂型环氧地坪涂料进行研究，探讨了无溶剂型环氧地坪涂料的力学性能与微观参数的关系，找出无溶剂型环氧地坪涂料的微观参数的合理范围，建立起利用少量的无溶剂型环氧地坪涂料进行产品检验的测试方法。

1 原材料

本文收集了 5 个无溶剂型环氧地坪涂料，编号为 DP-9、DP-13、DP-14、DP-20、DP-21。它们的产品类型、样品配比和颜色等信息，如表 1 所示。

表1 无溶剂型环氧地坪涂料的配比和颜色

这 5 个无溶剂型环氧地坪涂料的样品配比比较接近，其中 DP-9、DP-13、DP-14、DP-20 的样品配比均为主漆：固化剂=100∶25（w/w），而 DP-21 的样品配比为主漆：固化剂=100∶20（w/w）。

这 5 个无溶剂型环氧地坪涂料的颜色基本以灰色和黑色为主，DP-13 为黄色。

2 实验设备

抗压强度使用万能材料试验机。

红外光谱使用傅立叶变换红外光谱仪测试，扫描范围为 4 000～400 cm-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。

热失重分析使用热重分析仪测试；氮气气氛测试的温度范围为室温～1 000 ℃，升温速度 10 ℃/min。

3 有机地坪涂料标准体系介绍

目前国内有机地坪涂料的标准较多，涉及到无溶剂型环氧地坪涂料的，分别为 GB/T 22374－2018《地坪涂装材料》（以下简称“GB/T 22374－2018”）、HG/T 3829－2006《地坪涂料》（以下简称“HG/T 3829－2006”）和 JC/T 1015－2006《环氧树脂地面涂层材料》（以下简称“ JG/T 1015－2006”）。它们提出的无溶剂型环氧地坪涂料的力学性能项目基本相同，各自的要求有所区别，各标准的要求如表 2 所示。

表2 无溶剂型环氧地坪涂料的力学性能要求

总体来讲，为了达到较好的使用性能，无溶剂型环氧地坪涂料的邵氏硬度应达到 70 以上，耐磨性应该≤0.030 g，抗压强度应＞45 MPa，拉伸粘结强度应＞2.0 MPa，120 ℃ 的不挥发物含量（固体含量）应≥95 %。

4 结果与讨论

4.1 力学性能

无溶剂型环氧地坪涂料的耐磨性和拉伸粘结强度的合格率通常较高。本文中的 5 个产品的耐磨性和拉伸粘结强度也是合格的，文中未列出它们的结果。5 个无溶剂型环氧地坪涂料的邵氏硬度和抗压强度，如表 3 所示。

表3 无溶剂型环氧地坪涂料的物理性能

5 个无溶剂型环氧地坪涂料的邵氏硬度的结果为 77～85，这说明合格的地坪涂料产品的邵氏硬度的结果都比较接近。当地坪涂料产品的邵氏硬度较低时，其交联程度不足，物理性能通常都不合格。

5 个无溶剂型环氧地坪涂料的抗压强度最低的是 DP-9 为 71 MPa，最高的是 DP-14 为 122 MPa。除 DP-9 外的 4 个产品的抗压强度都满足地坪涂料标准的要求；DP-9 的抗压强度略低，满足 GB/T 22374－2018中关于无溶剂型面涂（W 型）和 JC/T 1015－2006 中关于自流平涂层材料的要求，但是未达到 HG/T 3829－2006 中关于厚型面漆（C 类）的要求。

从实验结果来看，无溶剂型环氧地坪涂料的邵氏硬度的结果与抗压强度的结果没有明显的相关性。

4.2 红外分析

5 个无溶剂型环氧地坪涂料的红外光谱的结果，如图 1 所示。

图1 无溶剂型环氧地坪涂料的红外光谱图

5 个无溶剂型环氧地坪涂料的红外光谱，基本一样，均为双酚A类的环氧地坪涂料［6］：1 729 cm-1处是 C=O 的特征峰，1 606 cm-1和 1 507 cm-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是脂肪族叔胺 C-N 吸收峰，1 033 cm-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。

5 个无溶剂型环氧地坪涂料的各个对应的红外峰的强度也比较接近，说明这 5 个样品的环氧树脂、胺类固化剂的种类和比例也基本相同，涂料的固化程度接近，反应都比较完全，力学性能较好。

4.3 动态热机械分析

动态热机械分析的结果与无溶剂型环氧地坪涂料的物理性能有着密切的关系，这是因为动态热机械分析的结果与无溶剂型环氧地坪涂料的配方和交联程度有关，因此能间接地反映出无溶剂型环氧地坪涂料的物理性能。5 个无溶剂型环氧地坪涂料的动态热机械分析的结果，如图 2 所示。

图2 无溶剂型环氧地坪涂料的动态热机械分析曲线

从图 2 可以看出，5 个无溶剂型环氧地坪涂料的玻璃化温度有近 20 ℃ 的差异，说明这 5 个无溶剂型环氧地坪涂料的交联程度差异非常大，而邵氏硬度和抗压强度无法如此准确地反应地坪涂料的交联程度的差异。

5 个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 4 所示。玻璃化温度最低的是 DP-9，为 62.9 ℃；玻璃化温度最高的是 DP-13，为 84.1 ℃。损耗因子 tanδ最大值最低的是 DP-13，为 0.845；损耗因子 tanδ最大值最高的是 DP-9，为 1.409。

表4 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

这 5 个样品中 DP-9 的玻璃化温度最低，损耗因子 tanδ最大值最大，这与 DP-9 的邵氏硬度较低、抗压强度最低，样品较软是一致的。DP-13 的玻璃化温度最高，损耗因子 tanδ最大值最小，这与 DP-13 的邵氏硬度最高、抗压强度较高，样品较硬是一致的。因此动态热机械性能能比较好地反应地坪涂料的物理性能，并给出物理性能的原因分析。分别以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3所示。

图3 无溶剂型环氧地坪涂料的玻璃化温度和损耗因子 tanδ 最大值的关系图

当无溶剂型环氧地坪涂料的交联程度提高时，玻璃化温度会提高，并且损耗因子 tanδ最大值会降低。因此沿着图 3 中箭头方向，无溶剂型环氧地坪涂料的交联程度是逐渐提高的。从图 3 可以看出，合格的无溶剂型环氧地坪涂料的玻璃化温度应该在 60～90 ℃ 之间，损耗因子 tanδ最大值应该在 0.8～1.4 之间。

从这些样品可以总结出，无溶剂型环氧地坪涂料的玻璃化温度和损耗因子 tanδ最大值的合格范围应该位于图 3 中 4 条虚线所围成的矩形框内（［60，90］h［0.8，1.4］）。

4.4 热失重分析

热失重分析能够研究出无溶剂型环氧地坪涂料中的各组分的种类以及各组分的含量，还能判定环氧树脂的热稳定性。5 个无溶剂型环氧地坪涂料的热失重分析曲线（0～1 000 ℃），如图 4 所示。

图4 无溶剂型环氧地坪涂料的热失重曲线（0～1 000 ℃）

从图 4 可以看出，DP-13、DP-14 的树脂含量较低，碳酸钙含量较高。DP-9、DP-21 的树脂含量较高，DP-9 的碳酸钙含量较高，而 DP-21 的碳酸钙含量较低。DP-20 的树脂含量是 5 个样品中最高的，而且还可以看出 DP-20 中没有碳酸钙。

当无溶剂型环氧地坪涂料的配方中含有少量的非活性稀释剂，或者配比不当导致交联不完全时，无溶剂型环氧地坪涂料中会存在较多的小分子物质，导致在较低温度时无溶剂型环氧地坪涂料的热失重曲线就有较高的热失重率。

5 个无溶剂型环氧地坪涂料的热失重分析曲线（0～4 00 ℃），如图 5 所示。从图 5 可以看出，5 个无溶剂型环氧地坪涂料在 200 ℃ 时热失重率不高，大约有 5 % 左右的质量损失。

图5 无溶剂型环氧地坪涂料的热失重曲线（0～400 ℃）

5 个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 5 所示。

表5 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

合格的无溶剂型环氧地坪涂料在 200 ℃ 时的质量损失不会很高。从表 5 中可以看出，DP-13 的 200 ℃ 时的质量损失最低，只有 2.8 %；DP-20 的 200 ℃ 时的质量损失最高，达到 6.0 %。无溶剂型环氧地坪涂料的 200 ℃ 时的质量损失在 2.5 %～6.0 % 之间。这个质量损失的范围与地坪涂料标准规定的不挥发物含量要求是比较符合的。

从表 5 还可以看出，无溶剂型环氧地坪涂料的 200 ℃ 时的质量损失和地坪涂料的力学性能没有明显的正相关性。

无溶剂型环氧地坪涂料的最大分解速率温度在 340～380 ℃ 之间。DP-9 的最大分解速率温度最低，比另外 4 个样品低 10～20 ℃。这与 DP-9 的交联程度较低是一致的。

分别以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 6 所示。

图6 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

当无溶剂型环氧地坪涂料的交联程度不足时，涂料的 200 ℃ 时的质量损失较高，邵氏硬度和抗压强度偏低。当无溶剂型环氧地坪涂料的交联程度过高时，200 ℃ 时的质量损失较低，涂料的脆性高，柔韧性不足。当无溶剂型环氧地坪的交联程度不足时，涂料的最大分解速率温度较低。当无溶剂型环氧地坪的交联程度提高时，涂料的最大分解速率温度也会提高。因此沿着图 6 中箭头方向，无溶剂型环氧地坪涂料的交联程度是逐渐提高的。

从这些样品可以总结出，合格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合理范围应该位于图 6 中 4 条虚线所围成的矩形框内（［2.5，6］h［350，380］）。

5 结语

通过对无溶剂型环氧地坪涂料进行红外分析、动态热机械分析和热失重分析，获得了无溶剂型环氧地坪涂料的红外峰相对强度以及玻璃化温度、损耗因子 tanδ最大值、200 ℃ 时的质量损失和最大分解速率温度等微观参数，发现地坪涂料的动态热机械性能与物理性能的相关性较强。通过对合格的无溶剂型环氧地坪涂料的分析，找到了动态热机械分析和热失重分析的参数的合理范围，可以对少量的地坪涂料样品进行快速检测以评估无溶剂型环氧地坪涂料的力学性能。Q