朱云升 黄良略 刘承锟 于罗宾 曾祥玉

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (中交第一公路工程局有限公司海外分公司2) 北京 100000)

0 引 言

热反射涂层技术是一种极具发展潜力的沥青路面降温技术[1]，在沥青混凝土路面上涂刷热反射涂料，能有效降低路面内部温度，延缓车辙病害的发生.环氧树脂力学性能良好，附着力、耐磨性、耐腐蚀性等性能优良，可用作热反射涂层的成膜基料[2-6]，但环氧树脂交联密度大，导致环氧类热反射涂料固化后脆性大，韧性小，因此，有必要增强其韧性，提升热反射涂层的路用性能.橡胶弹性体、热塑性树脂、韧性固化剂、纳米刚性粒子、核-壳聚合物、生物基原料均可增韧环氧树脂[7-9]，从现场施工可操作性以及经济性考虑，文中在使用韧性固化剂增韧的同时，共混液体硅胶，以改善环氧类热反射涂层的韧性，并研究了液体硅胶对涂层光泽度、耐磨性、降温效果和耐冻融等性能的影响.

1 试验涂料的制备

1.1 试验材料

1.1.1成膜基料

丙烯酸树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂、环氧树脂、有机氟树脂均可用作为成膜基料.为甄别市售成膜基料，本文在自建的路用热反射涂层成膜基料性能评价体系的基础上，选出性能评价结果较好的环氧树脂作为成膜基料，固化剂选用胺类固化剂，其基本性能见表1～2，胺类固化剂与环氧树脂固化过程[10]见图1.

表1 环氧树脂基本性能表

表2 固化剂基本性能表

图1 胺类固化剂与环氧树脂固化过程

1.1.2颜填料

颜填料是路用热反射涂层实现降温的主要材料，按功能可分为反射型、隔热型和辐射型.其中，金红石型钛白粉通常作为热反射涂层的主要颜料，通过添加辅助性填料可实现较好的降温性能.本文选用金红石型钛白粉和空心微球为颜填料，其基本性能见表3～4，金红石型钛白粉和空心微球比例为1∶0.4，最佳颜基比为0.15.

表3 钛白粉基本性能表 单位:%

表4 空心微球基本性能表

1.1.3助剂

颜填料在成膜基料中易结团，不仅影响涂层表观，还影响涂层降温效果.本研究在涂料体系中添加分散剂，利用分散剂的溶剂化链在环氧树脂中所产生的空间屏蔽，来降低颜料颗粒间的作用力，使颜填料颗粒能均匀地分散在环氧树脂中.

1.1.4液体硅胶

液体硅橡胶属于高温硫化橡胶的类别，胶凝后呈弹性体，但其胶凝行为类似于热固性材料[11].液体硅胶分为单组份和双组份.单组份液体硅胶主要依靠空气中的水汽进行固化，对环境依赖度较高，涂层涂刷较厚时，单组份液体硅胶不能固化；双组份液体硅胶只需AB组份按照比例混合，即可固化，其固化过程见图2[12].采用双组份液体硅胶作为填料，其基本性能见表5.

图2 双组份液体硅胶固化过程

表5 双组份液体硅胶基本性能表

1.2 涂料的制备

按1∶1配比称取AB组份的液体硅胶，使用玻璃搅拌棒搅拌均匀后，加入环氧树脂，采用低速搅拌机搅拌均匀后，加入钛白粉、空心微球，并使用剪切机剪切15 min，以保证钛白粉能均匀地分散在硅胶-环氧树脂体系中，最后加入固化剂和稀释剂，玻璃搅拌棒或低速搅拌机搅拌均匀.热反射涂料配方见表6.

表6 路用热反射涂料配方表

2 试验方法

2.1 涂料黏度测试方法

涂料黏度采用便携式涂4杯进行测试，具体操作见GB/T 1723-93《涂料黏度测定法》，并对测得的涂料流出时间进行运动黏度换算，即

t=0.154v+11(t<23 s)

(1)

t=0.154υ+11(23 s≤t<150 s)

(2)

式中：t为流出时间；υ为运动黏度.

2.2 涂层光泽度测试方法

采用60°角光泽度仪测试涂层光泽度.在马口铁片上涂刷湿膜厚度为2.8 mm的热反射涂料，恒温恒湿条件下养生24 h后，作为光泽度测试样片.测试前，先对光泽度仪进行校核，校准后，随机在涂层样片上选取3处进行测试，以其平均值作为涂层光泽度值.

2.3 涂层冲击强度测试方法

采用冲击试验机，并按照GB/T 1732—1993《漆膜耐冲击测定法》的标准进行相关测试.

2.4 涂层耐磨性测试方法

参照GB/T 1768—1989《漆膜耐磨性测定法》，先将涂料浇筑成圆形试件，固化成型后，将其放置在特定的转盘上并固定，然后加压，开启开关.转盘先转动50 r，进行试件表面预磨平，预磨平完成后，取下试件，扫去碎屑，称取初重.正式测试时，采用300磨耗转数，试验停止后，取出样片，再次称取试样的重量.试件两次重量差即为涂层的磨耗损失量.

2.5 涂层降温性能测试方法

采用车辙板为承载板制作试验样板，并在车辙板20 mm处埋设温度探头，以方便采集车辙板20 mm处的温度.使用打孔机在车辙板中心打孔，将温度探头埋设在距测试面20 mm的位置后，填充冷补料，并压实；然后在测试面上涂刷0.5 kg/m2热反射涂料，表干前，洒布1 kg/m2的防滑颗粒，待第一层涂料完全固化后，再次涂刷0.3 kg/m2的热反射涂料，第二层涂料完全固化后，在测试样板周围包裹聚乙烯泡沫板，以避免试验板内部与外界发生热交换.选择晴朗无风的天气，将涂刷涂料的试验样板以及未涂刷涂料的车辙板放置在太阳下照射2 h，并记录两车辙板在20 mm处的温度值，其差值即为降温值.

2.6 涂层耐冻融性测试方法

涂刷在车辙板上的涂料固化后，将车辙板放置在(23±2) ℃恒温水槽中浸泡18 h，浸泡完成后，将取出的车辙板放入-18 ℃冷冻箱中3 h，然后从冷冻箱内取出，放入(70±2) ℃烘箱中，恒温3 h，以此为1个循环.以出现开裂、剥落、起泡等不良现象的循环次数来评价热反射涂层的耐冻融性.

3 试验结果分析

3.1 液体硅胶对涂料运动黏度的影响

路用热反射涂料多采用固体填料来降低涂层的光泽度，用作消光的固体填料由于密度小、质量轻，少量的添加会极大的增加涂料的黏度，涂料黏度过大，不仅导致涂刷困难，而且涂料中固体填料结团严重，一般控制涂料涂刷运动黏度不超过300 mm2/s.本文选用OK412型消光粉和液体硅胶进行黏度对比试验，为避免试验中涂料运动黏度超过300 mm2/s，将表1中稀释剂用量增至15 g.本文以涂层达到亚光时的运动黏度值为依据，按照2.1和2.2测试方法进行涂层光泽度和黏度测试，不同消光粉和液体硅胶添加量下的涂料运动黏度和固化后的光泽度测试结果见表7～8.

表7 添加液体硅胶的热反射涂料运动黏度值及光泽度值

表8 添加消光粉的热反射涂料运动黏度值及光泽度值

由表7～8可知，随着液体硅胶、消光粉的添加，涂料运动黏度均呈递增趋势.当涂层呈现亚光(光泽度值<30 GU)时，添加消光粉的涂料运动黏度值由161.6增至246.7 mm2/s，增加了52.7%；而添加液体硅胶的涂料运动黏度值由161.6增至167.3 mm2/s，仅增加了3.5%.因此，液体硅胶对涂料的增稠效果要小于消光粉，调节涂料运动黏度时，可减少稀释剂的用量.

3.2 液体硅胶对涂层光泽度的影响

涂层光泽度表征涂层对光的反射能力.高光泽度的路用热反射涂层虽然可以反射较多的光照，但会引起驾驶员炫目，增加交通事故率，因而，需对涂层进行消光处理，以保证涂层低光泽度.对涂层消光，即破坏涂层表面的光滑性，增加其微观粗糙度来降低涂层的反射光线能力.为将热反射涂层表面粗糙度更为直观地表现出来，本文按表1中涂料配比进行样片制作，数码相机拍照后，利用MATLAB进行图像灰度处理，提取灰度图像的坐标和灰度进行三维模型重构，以编号1和编号6样片为例，其重构后的三维模型见图3.同时，利用灰度图像中的坐标灰度矩阵Z对粗糙程度进行数值化，即用矩阵Z中所有元素的最大值为Zmax减去Z中每一个元素得到中间矩阵Z′，Z′中所有元素的和记为S，用S除以Z′中元素个数M，即得到A=S/M，数字A即可表示涂层的粗糙程度，A越大说明涂层越粗糙.对编号1～9样片分别提取灰度图像的坐标矩阵进行计算，计算结果见表9.对按表1配比所制备的热反射涂层样片进行光泽度测试.涂层光泽度随液体硅胶添加量的变化曲线见图4.

图3 图片重构后三维模型

表9 路用热反射涂层表面粗糙度计算值汇总表

根据表9可知，随着液体硅胶用量依次增大，路用热反射涂层表面粗糙度先增后减.液体硅胶用量由0逐步添至14%时，热反射涂层表面粗糙度由2.361增至3.614，增加了53.1%；但硅胶用量由14%增至16%时，热反射涂层表面粗糙度由3.614降至3.374，降低了6.64%.加入液体硅胶后热反射涂层表面粗糙度之所以变化是因为液体硅胶是一种分子链兼具有机和无机性质的高分子聚合物，分子量较大，分子链由硅原子和氧原子交替组成(—Si—O—Si—)，键能较大，同时侧链上的碳氢基团或取代碳氢的有机基团不活泼，与环氧树脂上的环氧基、羟基等活性基团几乎不发生反应，硅胶侧链上的碳氢基团或取代碳氢的有机基团与环氧树脂上的环氧基、羟基等活性基团也几乎不亲和，因而液体硅胶与环氧树脂不相容，在硅胶-环氧树脂体系固化过程中硅胶相和环氧相出现相分离，导致固化后各自呈现自己的相区.液体硅胶不超过16%时，以环氧相为主，固化后的环氧树脂表层分布有硅胶相，随着用量逐步增加，硅胶相的分布量增加，因而环氧树脂表层粗糙度增大；液体硅胶超过16%时，硅胶相占优，分离出较多的硅胶相反而使环氧树脂表层光滑，粗糙度降低,见图4.

图4 涂层粗糙度、光泽度随液体硅胶添加量变化曲线

由图4可知，热反射涂层光泽度随液体硅胶的添加先减后增.当液体硅胶添加量为10%时，涂层光泽度达到最小值为24，较未添加液体硅胶的热反射涂层光泽度值降低72.1%；液体硅胶增加到16%时，涂层光泽度为31，升高29.2%.这是因为涂层表观粗糙度与涂层光泽度呈反比关系，涂层粗糙度值越大，其光泽度越低.

3.3 液体硅胶对涂层冲击强度的影响

环氧树脂固化后交联密度大，分子链实现自由滑动困难，导致环氧树脂成膜物脆性大.硅胶胶凝后呈现弹性，可在一定程度上改善环氧类涂层的韧性.文中采用冲击强度作为涂层韧性的评价指标，具体测试方法见2.3，不同液体硅橡胶添加量的涂层冲击强度测试结果见图5.

图5 不同液体硅橡胶添加量的涂层冲击强度

由图5可知，随着液体硅胶添加量的增加，涂层的冲击强度逐渐增大，即环氧类热反射涂层的韧性逐渐增强.添加16%液体硅胶的热反射涂层冲击强度较未添加液体硅胶的热反射涂层的冲击强度提升了54.8%.

3.4 液体硅胶对涂层耐磨性的影响

涂层的耐磨性表征涂层抵抗外界摩擦作用的能力，涂层耐磨性越好，在摩擦力作用下，其磨耗损失量越少.涂层耐磨性的测试方法按照2.4进行，不同液体硅胶添加量下的磨耗损失量测试结果见图6.同时，在沥青路面上涂刷了试验块，6个月后的磨损状况见图7.

图6 不同液体硅橡胶添加量的涂层磨耗损失量

图7 添加液体硅胶后涂料的实际磨损情况

根据图6可知，热反射涂层的磨耗损失量随着液体硅胶用量的增加而降低，添加16%液体硅胶的涂层较未添加硅胶的涂层的磨耗损失量降低19.8%.涂层磨耗损失量降低表明涂层耐磨性增加，这是由于硅橡胶是柔而韧的弹性体，虽然硬度较低，但耐磨性好，随着液体硅橡胶添加量的增加，涂层中析出的硅胶相逐步增加，最终占优，因而涂层磨耗损失量逐渐减少.

3.5 液体硅胶对涂层降温性能的影响

路用热反射涂层的降温性能直接影响路面内部温度的降温值，良好的降温效果可在一定程度上可减缓由高温引起的“车辙”病害.颜填料的折光系数、成膜基料的导热系数、涂层光泽度等均能影响热反射涂层的实际降温效果.为消除光泽度的影响，本文按照2.5制作试验样板时，第一层涂料使用添加液体硅胶的热反射涂料，第二层涂料使用未添加液体硅胶的热反射涂料，第二层涂料完全固化后，按照2.5测试方法进行相关试验，其涂层表面以及车辙板20 mm处的降温值测试结果见图8.

图8 涂层表面以及车辙板20 mm处的降温值

液体硅胶添加量不同导致硅胶-环氧树脂二元混合体导热系数不同.硅胶-环氧树脂体系属非水混合物，可用“串联”或“混联”理想模型计算导热系数，“串联”和“混联”计算模型为[13]

λmid=w1λ1+w2λ2

(3)

λmid=[w1λ1+w2λ2+(w1/λ1+w2/λ2)-1]

(4)

式中：λmid为混合物导热系数;wi为液体混合物中组分i的占比；λi为液体混合物中组分i的导热系数.

本文采用精度较高的“串联”模型进行硅胶-环氧树脂二元混合体导热系数的计算，其中环氧树脂的导热系数为0.2，硅胶的导热系数为0.27，计算结果见表10.

表10 硅胶-环氧树脂二元混合体导热系数汇总表

由图8可知，液体硅胶的添加对热反射涂层的降温值几乎无影响.根据表10，虽然硅橡胶的添加可导致硅胶-环氧树脂导热系数的增大，但增加不显著，因而，液体硅胶对热反射涂层降温效果的影响不显著.

3.6 液体硅胶对涂层耐冻融性的影响

涂层的耐冻融表征涂层对冷热交替变化的承受能力.涂层在经受温度、湿度的骤然变化后，性能在一定程度上会发生变化.用于热反射涂层耐冻融性测试的样板按2.5制备，涂层耐冻融次数测试参照2.6，其结果见表11.

表11 不同硅胶添加量涂层的冻融次数

由表11可知，随着液体硅橡胶的添加，热反射涂层的冻融次数增加，即环氧类热反射涂层的耐冻融性提高.环氧类热反射涂层在冻融循环过程中，会发生了一定程度的湿热老化和热氧老化，但凝胶后的硅橡胶耐老化性能要优于环氧树脂，因而，液体硅橡胶的添加可增强环氧类热反射涂层的耐冻融性.

4 结 论

1) 液体硅胶能有效的降低热反射涂层的光泽度，添加量为10%～14%时，涂层的光泽度小于30GU，处于亚光.以达到亚光为评判标准，液体硅胶增稠效果小于消光粉.

2) 液体硅胶能提升环氧类热反射涂层的韧性，液体硅胶添加量为14%～16%时，其冲击强度可提升54.3%～54.8%.

3) 液体硅胶能提升环氧类热反射涂层的耐磨性，且随着添加量增加磨耗损失量降低，添加16%液体硅胶的涂层较未添加硅胶的涂层的磨耗损失量能够降低19.8%.

4) 液体硅胶对热反射涂层的降温性能无明显影响.

5) 液体硅胶可提升环氧类热反射涂层的耐冻融性，液体硅胶添加14%～16%时，热反射涂层冻融次数提高2次.

6) 综合液体硅胶对热反射涂层光泽度、冲击强度、耐磨性、降温值、耐冻融性的影响，液体硅胶的适宜添加量为14%.