高性能隧道内壁防护涂料的设计与制备.pdf
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1、58第 32 卷第 3 期2023 年 6 月中 国 建 材 科 技China Building Materials Science&TechnologyVol.32No.3Jun.,2023DOI:10.12164/j.issn.1003-8965.2023.03.015高性能隧道内壁防护涂料的设计与制备Design and preparation of high performance protective coating for tunnel inner wall赵玺浩1,张海宝2,曾二龙1,张亚明3,李仃3(1.西安斯派新材料科技有限公司,陕西西安 710600;2.长安大学 材料科学
2、与工程学院,陕西 西安 710061;3.西安邮电大学 理学院,陕西西安 710121)ZHAO Xihao1,ZHANG Haibao2,ZENG Erlong1,ZHANG Yaming3,LI Ding3(1.Xian Sipai New Material Technology Co.,Ltd.,Xian 710600;2.School of Materials Science and Engineering,Changan University,Xian 710061;3.School of Science,Xian University of Posts and Telecommun
3、ications,Xian 710121)摘要:针对隧道复杂环境的涂装要求,研制了综合性能优异的水性瓷化防护涂料。通过傅里叶红外光谱确定了水性瓷化涂料的固化工艺;通过调整阻燃剂的用量,研究其对水性瓷化涂料性能的影响,确定配方中氧化镁的添加量为10%。将水性瓷化涂料与市售隧道涂装材料对比,结果表明,水性瓷化涂料的混凝土吸水率低,具有优异的耐沾污、易清洗、耐高低温性能。关键词:隧道内壁;水性涂料;易清洗;耐高低温Abstract:A water borne porcelain coating SP-31 with excellent performance is developed to meet
4、 the coating requirements of tunnels under complex environment.The curing process of the coating material is determined by Fourier transform infrared spectroscopy.The influence of flame retardants on the performance of waterborne porcelain coating is studied by adjusting the dosage of magnesium oxid
5、e,which is optimized to be 10%in the formula.Comparing the water borne porcelain coating with other tunnel coating materials on the market,the results show that the water borne porcelain coating has low water absorption rate,excellent stain resistance,easy cleaning,and high/low temperature resistanc
6、e.Key words:tunnel inner wall;water borne coating;easy to clean;high and low temperature resistance中图分类号:TQ637文献标志码:A文章编号:1003-8965(2023)03-0058-040 引言在高速公路的营运成本中,隧道的营运成本最高,其中隧道内壁清洁维护和照明是主要部分。因此,隧道内壁涂层需要有优异的抗污性和高反射系数,以降低清洁、照明费用,同时还要综合考虑耐火、防水、耐高温等因素,这对新型隧道内壁防护涂料开发提出了极高的要求。隧道工程行业对内壁涂层材料性能做了规定,主要包括:1)内
7、壁涂层材料要尽量提升隧道内的驾车环境,防止视觉误差过大,降低隧道中的噪音及粉尘污染。2)反射系数至少70%,形成漫反射表面,均匀地将隧道内的照明灯光反射出去。3)表面须光洁平滑不易沾污,有利于采用机械化方法进行清洗保养。4)要经久耐用,不怕水、不受酸碱或氯化物腐蚀耐老化。5)具备优异的耐高温性能,避免在高温环境中分解产生有毒气体或盐雾1。我国早期的隧道涂料主要由四川消防研究所研制。近年来,该机构又研发了水硬性隧道防火涂料2-3。该涂料在火灾发生时不仅耐高温,且无有毒气体逸出。但是其涂层厚度较大,约几毫米,提高了涂层成本,限制了其广泛应用。此外,左志康等利用硅酸盐水泥高铝水泥可再分散胶粉等组成的
8、黏结剂,膨胀蛭石膨胀珍珠岩等组成的隔热材料,聚磷酸铵三聚氰胺季戊四醇构成的阻燃材料,制备出耐火极限2.0h的隧道防火材料4。普通防火涂料作为隧道内部装饰材料,相较于瓷砖、复合铝板材料,其优势在于建造成本低。目前,市售隧道涂料产品存在耐久性差易霉变耐油污性差耐洗刷性差功能单一等缺点,难以满足隧道复杂环境下的涂装要求。有机硅树脂是一种具有三维网状结构的聚硅氧烷,以Si-O-Si为主链结构,侧链上连接甲基苯基乙烯基等有机基团5-9,是典型的有机无机杂化高分子材料,在耐高低温性、电绝缘性耐化学腐蚀耐候性阻燃性等方面有优异表现,同时具有优异的介电性能和疏水性等10-14。结合实验室研究及实际工程应用,本
9、文以水性杂化有机硅树脂为主要成膜物质,通过添加无毒阻燃剂等对涂料的阻燃、吸湿、耐沾污性能进行优化,最终获得了综合性能优异且施工工艺简便的SP-31水性瓷化涂装体系。1 试验部分1.1 试验原料基金项目:陕西省自然科学基金(2022JQ-489)第一作者:赵玺浩(1983.12-),硕士,工程师,现从事特种水性涂料研发工作。59试验与研究高性能隧道内壁防护涂料的设计与制备水性杂化有机硅树脂(CP-2020)、高纯无机硅树脂(ND-SIR),苏州纳迪微电子有限公司;阻燃剂纳米氧化镁,苏州优锆纳米材料有限公司;分散剂190和增稠剂410,毕克化学。1.2 试验仪器照度仪(Tondaj LX-1010
10、B),深圳金达通公司;反射率测定仪(C84-),上海现代环境有限公司;涂层耐沾污测试仪(QWX),天津津科材料试验机有限公司;铅笔硬度仪(QB-YDJ),上海庆博实验设备有限公司;光泽度仪(WGG60-E4),泉州科仕佳光电仪器公司;人工气候老化测试风冷型氙灯老化试验箱(HT-QSUN-1400),东莞市皓天试验设备有限公司。1.3 开发工艺本文隧道水性瓷化涂料开发工艺如下:1)打浆阶段,将水加入反应器中,分散机转速500r/min下依次加入分散剂190、阻燃剂纳米氧化镁低速搅拌510min,再1200r/min高速分散1h。2)研磨阶段,将分散好的浆料倒入砂磨机中研磨,控制转速在1000r/
11、min,研磨1h后检测浆料的细度,大约达到1020m后研磨结束。3)调漆阶段,研磨好的浆料倒入反应器中,分散机转速500r/min下依次加入水性杂化有机硅树脂、高纯无机硅树脂、增稠剂410,调节粘度,制得水性瓷化涂料。2 结果与讨论普通有机硅树脂的固化温度高达150,较高的固化温度使其应用范围受到限制,而SP-31水性瓷化涂料弥补了这一不足,在室温条件下就可固化。图1为水性瓷化涂料在室温条件下固化7d后的红外光谱测试结果。从图1可以看出,经过7d室温固化,32003600cm-1处的Si-OH的吸收峰基本消失,同时1010cm-1处出现较强的Si-O-Si吸收峰,说明涂料已固化完全。图1 SP
12、-31水性瓷化涂料在室温条件下固化7d后的 红外光谱 Fig.1 FT-IR spectrum of SP-31 water borne porcelain coating after curing for 7-days at room temperature2.1 阻燃剂对涂料性能的影响添加阻燃剂是提升涂料防火性能的主要方法。若防火涂料只用一种无机黏结剂(如硅酸盐、磷酸盐)作为基料进行制备,易产生开裂现象,且涂料的粘结强度、耐水、耐火、耐冻融循环性能一般较差。研究发现,在无机基料中加入分散良好的胶粉,制备出有机-无机复合黏结剂,可改善涂料的耐水性、防火性、柔韧性及变形能力15,但是有机胶粉的
13、加入会降低黏结剂的表面光洁度,影响涂层的耐沾污性能。为了解决复合黏结剂降低涂层耐沾污性能的问题,本文提出以水性杂化有机硅树脂CP-2020和高纯无机硅树脂ND-SIR进行搭配,同时通过调整阻燃剂纳米氧化镁的用量来提高复合黏结剂的表面光洁度,并优化涂料的整体性能。表1 氧化镁的添加量对涂料性能的影响 Tab.1 Effect of magnesium oxide addition on coating properties纳米氧化镁含量/%光泽 60耐沾污性燃烧增长速率指数/(W/s)600s 总放热量/MJ0701040021.456111.530015.31042121107.2202113
14、.9806.225818765.8由表1可以看出,随着纳米氧化镁用量的增加,漆膜表面光泽和耐沾污性能下降,阻燃性能逐渐提高。其中,纳米氧化镁含量为10%时,光泽为42,耐沾污性为12,燃烧增长速率指数达到110W/s,600s总放热量为7.2MJ,涂层不仅阻燃性能达到B1级,且有较好的耐沾污性和表面光泽。根据上述结果,确定最佳涂层组分如表2所示。表2 SP-31水性瓷化涂料组成 Tab.2 Basic formula of SP-31 water borne porcelain coating涂料成分质量分数/%水性杂化有机硅树脂 CP-202043高纯无机硅树脂 ND-SIR10阻燃剂纳米氧
15、化镁10分散剂 1900.2增稠剂 4100.3水16.52.2 水性瓷化涂料性能表征对水性瓷化涂料性能进行表征,如表3所示。2.2.1 混凝土吸水率制备强度C40边长为10cm的正方体混凝土试块,脱模后在标准条件下养护30d,然后喷涂不同的试验涂料,将喷涂好的试样放在25、湿度50%的环境中养护7d,再将试样浸没在纯净水中不同的时间。采用增重法测试试样的吸水率,结果如表4所示。由表4可以看出,与涂覆其他市售涂料的试样相比,涂覆水性瓷化涂料的混凝土试样的吸水率最低,48h吸水率只有2.82%。60试验与研究高性能隧道内壁防护涂料的设计与制备表4 不同涂装材料对混凝土吸水率的影响(%)Tab.4
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