抗UV剂对双组份标线涂料耐久性的影响研究*

2021-12-23司晶晶邢苗苗王俊彦陈书霞邹晓勇吴闻秀

合成材料老化与应用 2021年6期

司晶晶，邢苗苗，王俊彦，陈书霞，邹晓勇，吴闻秀

（1 河海大学土木与交通学院，江苏南京 210098； 2 金华市公路与运输管理中心，浙江金华 321000）

道路交通标线作为管制和引导道路交通的生命线，对规范车辆和行人安全通行具有重要意义。国内道路标线主要有四种：热熔型、溶剂型、双组份和水性道路标线[1]。其中，热熔型道路标线和溶剂型道路标线的应用较多，但二者因耐磨性差、环保效益不足、光度性能差、修复困难等，应用效果较差[2]。水性标线无毒环保，但是对施工要求高，耐久性差，导致其推广应用受到限制。双组份道路标线是由两种或两种以上的组份组成，以一定比例混合均匀并通过化学反应形成的耐久性涂层，具有对玻璃珠粘结强，持续反光优异且环保效益好等优点，值得进一步提升并推广。

树脂是双组份标线涂料的主要成分，提供了涂料的力学性能。树脂的性能易受环境的影响，导致其状态改变直至损坏变质，即“老化”[3]。王卓等[4]采用丙烯酸树脂制备遮热铺装材料并进行紫外老化试验，发现该遮热铺装材料经过紫外老化后粘附性、耐水性和抗冻性均变差。为避免双组份标线涂料中的丙烯酸树脂在后期使用过程中因耐久性不足和老化产生病害，唐永义[5]提出将树脂分子结构改性,或利用添加助剂的方法来提高涂料的耐候性和耐久性。何德良等[6]采用溶液共聚法，将反应型紫外吸收剂分子与丙烯酸脂类单体共聚，合成了紫外吸收型氟硅化丙烯酸树脂。周友珍[7]使用有机紫外吸收剂通过共混法制备丙烯酸树脂涂料，增强了丙烯酸树脂的抗老化效果。

涂料的老化主要是树脂的老化和变脆，使得力学性能受到影响。为提升双组份标线的耐候性能，延缓涂料在后期使用过程中出现的开裂和磨耗等病害，本文通过改变抗UV剂含量，评价标线涂料在紫外线和湿度（90%）条件下老化前后力学性能的变化，分析双组份标线涂料的耐候性能。获得提升双组份标线涂料耐久性的抗UV剂最优含量，以提升双组份标线的耐久性。

1 实验部分

1.1 原材料

组份标线涂料使用的树脂是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）树脂。固化剂选用过氧化二苯甲酰（BPO）。颜料为金红石型钛白粉，填料为石英砂和重质碳酸钙。玻璃珠选用1号玻璃珠，其粒径分布参照《路面标线用玻璃珠》（GB/T 24722-2009）。

1.2 试样制备

双组份标线涂料由A、B组分组成，按质量比1:1进行混合。将树脂、抗UV剂、钛白粉、重质碳酸钙、石英砂混合，以1000 r/min的转速搅拌3～5 min。添加玻璃珠，继续搅拌1min，获得A组分。抗UV剂的含量分别为树脂质量的0%、1%、1.5%、2%和2.5%。B组份为固化剂BPO。将B组分加入A组份，引发PMMA固化反应，制得双组份涂料。

将试件放入紫外线耐气候试验箱内，如图1所示，温度为 40℃，湿度为 92%，紫外光照射14天，获得紫外老化样品。

图1 紫外老化试验Fig.1 UV aging test

1.3 分析与表征

1.3.1 耐磨性能

耐磨耗性能试验参考标准GB/T 1768-2006进行[8]。试验采用半径50mm的模具，试验前在模腔涂上一薄层甘油。配置1000g的双组份涂料倒入模具内，使其流平，并在涂料还未完全固化时在中心处开一直径约7mm的试孔。在室温下用磨耗仪进行耐磨性能测试。通过测试带有荷载的橡胶砂轮循环后的质量损失来表征涂层的耐磨性，砂轮循环200r，每50r记录一次数据。磨耗前后的质量损失目标值为≤40mg。质量损失越少，耐磨性能越好。

1.3.2 抗剪性能

取双组份标线涂料均匀涂抹于剪切模具上，固化后采用剪切强度测试仪测试其剪切强度，目标值为≥5MPa。

1.3.3 抗压性能

将双组份标线涂料倒入至预先准备的20mm× 20mm×20mm模具中，每组试样数量不少于3块。将固化后的试块从模具中取出，在标准试验条件下放置24h后，分别放置在精度不低于0.5级的电子万能材料试验机球形支座的基板上,调整试块位置及球形支座并加压，测得抗压强度，目标值为≥2MPa。

2 结果与讨论

2.1 耐磨性能

由图2可以看出，紫外老化前，随着抗UV剂占树脂含量的增加，双组份标线涂料涂层的质量损耗呈现先减小后增大的趋势，表明耐磨性能先提高后降低。当抗UV剂含量为树脂含量的2.5%时，质量损耗最大，为41mg；当抗UV剂含量为1.5%时，质量磨耗最小为14mg，耐磨性能最好。紫外老化后，双组份标线涂料涂层的质量损耗整体上也呈现先减小再增大的趋势。当抗UV剂含量为树脂含量的2.5%时，质量损耗最大，为73mg。当抗UV剂含量为树脂含量的1.5%时，质量损失最小，为20mg，为最大值的27.4%。这说明抗UV剂的添加对双组份标线涂料涂层老化前后的耐磨性能变化趋势没有影响，且当抗UV剂含量为1.5%时，耐磨性能最好。抗UV剂含量大于1.5%时，双组份标线涂料涂层的耐磨性能下降，这可能是因为抗UV剂中的苯二甲醇是双分子型光引发剂，用量增大到一定程度时便会失去作用[9]，在磨耗过程中使双组份标线涂料涂层的质量损失增大。

对比图2紫外老化前后的质量损耗变化值发现，使用了抗UV剂的标线涂料涂层试块老化后的耐磨性能得到了明显改善。未使用抗UV剂时，标线紫外老化前后的质量损失变化值为35mg。使用了1.5%的抗UV剂后，标线涂料涂层的质量损失变化值最小为6mg。磨耗前后的质量损失目标值为≤40mg。因此，抗UV剂含量为1.5%的标线涂料涂层在紫外老化前后的耐磨性能均达到目标要求。

图2 老化前后抗UV剂含量对双组份标线涂料涂层磨耗性能的影响Fig.2 The influence of anti-UV agent content before and after aging on the abrasion performance of two-component marking

2.2 抗剪性能

由图3可知，抗UV剂的加入使得双组份标线涂料涂层的抗剪性能略有降低，但随着抗UV剂含量的增加，双组份标线涂料涂层的抗剪强度先升高后降低。其中，抗UV剂含量为树脂含量的1.5%时，抗剪强度最大，为7.13MPa。紫外老化后，不加抗UV剂的双组份标线涂料涂层的抗剪强度最小，仅3.80MPa，双组份标线涂料涂层的抗剪强度随着抗UV剂的含量提高呈现上升趋势。其中，抗UV剂含量为树脂含量的2.5%时，抗剪强度最大，为5.65MPa。因此，抗UV剂显著提升了双组份标线涂料涂层紫外老化后的抗剪性能。

图3 老化前后抗UV剂含量对双组份标线涂料涂层抗剪强度的影响Fig.3 The influence of anti-UV agent content before and after aging on the shear strength of two-component marking

由图3还可知，添加抗UV剂使得抗剪强度变化值变小。抗UV剂可以有效地保持双组份标线老化前后的抗剪性能，这可能是因为双组份标线涂料涂层经过改性以后, 分子链活动能力增强, 同时表面活性点增多，在基体中可以起到很好的物理交联点的作用，从而抗剪强度上升。随着抗UV剂含量的提高，老化前后双组份标线涂料涂层抗剪强度的变化值趋于稳定。综合考虑成本和抗剪强度，抗UV剂含量为1.5%时为最佳。

2.3 抗压性能

从图4可以看出，抗UV剂的加入可以提高双组份标涂层的抗压强度，且随着抗UV剂含量的增加，双组份标线涂料涂层的抗压强度提高。不加抗UV剂时，双组份标线涂料涂层的抗压强度为36.0MPa，当抗UV剂含量为树脂含量的2.5%时，抗压强度最大，为38.9MPa。这可能是因为所添加的抗UV剂均匀地分布在涂层中，起到了刚性支撑的作用, 有效地阻止了其塑性变形的发生[10]。紫外老化后，双组份标线涂料涂层的抗压强度随抗UV剂的含量变化趋势与老化前一致。使用了抗UV剂的试块老化后的抗压性能得到了明显改善。未使用抗UV剂时，涂层老化后的抗压强度为25.2MPa，而在使用了一定量的抗UV剂后，涂层的抗压性能随着抗UV剂量的增加而提高，最高可达到37.9MPa。

图4 老化前后抗UV剂含量对双组份标线涂料涂层抗压强度的影响Fig.4 The influence of anti-UV agent content before and after aging on the compressive strength of two-component marking

老化前后双组份标线涂料涂层的抗压强度变化值因抗UV剂的加入而显著降低，抗UV剂有效地减缓了紫外老化对双组份标线的影响，使得双组份标线涂料涂层的抗压性能得以保持。