精表處光固化材料應(yīng)用研究
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【摘要】光固化具有無(wú)或低VOC排放、節(jié)省能源，耗能僅為溶劑型涂料的1/10~1/5、固化速率快，一般在0.1~10s、固化溫度低等優(yōu)點(diǎn)[3]。為優(yōu)化環(huán)氧材料普遍在低溫環(huán)境下活性低、固化時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度低等應(yīng)用缺陷，本文主要結(jié)合精表處現(xiàn)有材料的特征，引進(jìn)陽(yáng)離子光引發(fā)劑，雙官能團(tuán)活性稀釋劑，在紫外線的照射下進(jìn)行固化反應(yīng)，系統(tǒng)地研究了光固化材料與精表處材料性能關(guān)系，通過(guò)各個(gè)成分之間的變化聯(lián)系，提升精表處低溫性能，在橋梁、隧道、夜間施工等地方有廣闊的應(yīng)用前景。
【關(guān)鍵詞】精表處；光固化；環(huán)氧材料
前言
瀝青路面精細(xì)表面處理技術(shù)簡(jiǎn)稱精表處，在同步碎石封層技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合含砂霧封層、微表處等技術(shù)優(yōu)勢(shì)研發(fā)的新型道路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)，采用精表處配套車將改性環(huán)氧瀝青養(yǎng)護(hù)劑噴涂于舊瀝青路面上，進(jìn)行滲透吸附，彌合微裂縫，再配合特制精砂或集料[9]，通過(guò)環(huán)氧固化反應(yīng)，在瀝青路面上形成具有強(qiáng)力滲透黏結(jié)、持久耐磨、抗滑、降噪、穩(wěn)定性好、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等技術(shù)優(yōu)勢(shì)的保護(hù)層，能有效解決傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)技術(shù)的缺陷，顯著提高路面使用性能。在路面養(yǎng)護(hù)工程中，橋梁、隧道、夜間施工普遍存在施工溫度低、封閉交通時(shí)間短等技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)精表處施工有較大的考驗(yàn)，為了提高精表處市場(chǎng)占有率及施工質(zhì)量與效率，尋找一種能解決低溫環(huán)境下活性低、固化時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度低等應(yīng)用缺陷的材料和方法，成了精表處研究的主要方向。
1試驗(yàn)
1.1原理
精表處材料是一種多組分常溫反應(yīng)型環(huán)氧改性瀝青膠結(jié)料。作為主要成分的環(huán)氧樹脂是陽(yáng)離子光固化涂料的低聚物，環(huán)氧樹脂在超強(qiáng)質(zhì)子酸或路易斯酸作用下，引發(fā)陽(yáng)離子低聚物和活性稀釋劑進(jìn)行陽(yáng)離子聚合和交聯(lián)反應(yīng)，在紫外光和光固化反應(yīng)釋放的能量下加劇環(huán)氧材料與固化劑和添加劑進(jìn)一步反應(yīng)，快速形成致密結(jié)構(gòu)的涂膜。
1.2試驗(yàn)原材料的選擇
1.2.1光固化低聚物在光固化涂料各組分中，低聚物是光固化涂料的主體，它的性能基本上決定了固化后材料的主要性能，在結(jié)構(gòu)上低聚物必須具有光固化基團(tuán)，如不飽和雙鍵或環(huán)氧基等，屬于感光性樹脂[1、3]。因此，低聚物的合成和選擇無(wú)疑是光固化涂料配方設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。自由基光固化用的低聚物主要是各類丙烯酸樹脂，如環(huán)氧丙烯酸樹脂、聚氨酯丙烯酸樹脂等。陽(yáng)離子光固化涂料用的低聚物具有環(huán)氧基團(tuán)或乙烯基醚基團(tuán)，如環(huán)氧樹脂、乙烯基醚樹脂[1、3]。本文主要采用環(huán)氧樹脂雙酚A，雙酚A結(jié)構(gòu)中羥基和醚基有較高的極性，使環(huán)氧分子與相鄰界面產(chǎn)生了較強(qiáng)的分子間作用力，而環(huán)氧基團(tuán)則與介質(zhì)表面的游離鍵起反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，具有良好的物理機(jī)械性、耐化學(xué)藥品性和電氣絕緣等[2、4]。
1.2.2光固化引發(fā)劑光固化涂料通過(guò)光引發(fā)劑吸收紫外光而產(chǎn)生自由基或陽(yáng)離子，引發(fā)低聚物和活性稀釋劑發(fā)生聚合和交聯(lián)反應(yīng)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的涂膜。它是決定UV光固化涂料能否迅速發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的關(guān)鍵因素之一。光引發(fā)劑因產(chǎn)生的活性中間體不同，可分為自由基型光引發(fā)劑和陽(yáng)離子型光引發(fā)劑兩類[3]。陽(yáng)離子光引發(fā)劑具有不受氧影響、陽(yáng)離子光固化的活性中間體超強(qiáng)酸較穩(wěn)定，光照停止后，仍能繼續(xù)引發(fā)聚合交聯(lián)固化反應(yīng)。光固化反應(yīng)時(shí)體積收縮小，有利于基材附著，且材料使用壽命長(zhǎng)，適合厚涂層和有色涂層。陽(yáng)離子光引發(fā)劑主要有芳基重氮鹽、二芳基碘鋪鹽、三芳基硫鹽、芳基茂鐵鹽等[3]。本文主要采用芳茂鐵鹽，Irgacure261較芳基重氮鹽熱穩(wěn)定性更好，光引發(fā)活性高，它在遠(yuǎn)紫外（240~250nm）和近紫外（390~400nm）均有較強(qiáng)吸收，261吸光后發(fā)生分解，生成異丙苯和茂鐵路易斯酸繼續(xù)引發(fā)陽(yáng)離子聚合。
1.2.3光固化活性稀釋劑光固化涂料中的活性稀釋劑具有稀釋、調(diào)節(jié)體系黏度、參與光固化反應(yīng)，影響涂料的光固化速率和涂膜的力學(xué)性能。雙官能團(tuán)活性稀釋劑每個(gè)分子中含有兩個(gè)可參與光固化反應(yīng)的活性基團(tuán)，因此光固化速率比單官能團(tuán)活性稀釋劑要LOWCARBONWORLD2021/3快，成膜時(shí)發(fā)生交聯(lián)，有利于提高固化膜的物理力學(xué)性能和耐抗性[1、3]。雖然雙官能團(tuán)活性稀釋劑相對(duì)分子質(zhì)量大，但仍保持良好的稀釋性、較小揮發(fā)性、較低氣味等優(yōu)點(diǎn)。常見(jiàn)的雙官能團(tuán)活性稀釋劑三丙二醇類二丙烯酸酯（TPGDA）具有黏度較低、稀釋能力強(qiáng)、光固化速率快、體積收縮較小、皮膚刺激性較小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。而1，6-己二醇二丙烯酸酯（HDDA）具有低黏度，稀釋能力強(qiáng)，對(duì)塑料附著力好，可改善固化膜的柔韌性，但皮膚刺激性較大，價(jià)格較高。本文主要采用HDDA與TPGDA活性稀釋劑按1:2比例進(jìn)行配制的混合液。
1.3試驗(yàn)設(shè)備
UV-LED光固化燈：發(fā)光二極管是一種半導(dǎo)體發(fā)光的新光源[1、3]。通過(guò)注入少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合，以光的形式釋放多余的能量，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。摻雜一定材料，影響pn結(jié)所使用半導(dǎo)體材料的能隙大小，得到本文所需的紫外光線。
2方法
2.1在精表處A2、C組分中，確定光引發(fā)劑和光固化活性稀釋劑添加量
將環(huán)氧材料雙酚A與光引發(fā)劑和光固化稀釋劑按照不同比例進(jìn)行互配，觀察陽(yáng)離子光引發(fā)劑、光固化稀釋劑與環(huán)氧材料的相容性、體系黏度和反應(yīng)情況。確認(rèn)陽(yáng)離子光引發(fā)劑在A2組分中的添加量，及在產(chǎn)品中應(yīng)選用單組分還是復(fù)合組分光固化活性稀釋劑和在C組分中的添加量。
2.2在精表處中應(yīng)用
在明確光固化活性稀釋劑和陽(yáng)離子光引發(fā)劑的用量后，按照精表處使用配方A1:A2（新）:B:C（新）=20:9:4.5:4.5配制材料，混合均勻后按照0.4kg/m2分別在不同模具（如：石膏板、車轍板）上制膜，將涂膜試件距UV-LED紫外光儀10cm并照射10~30s，待成膜完全后分別檢測(cè)固化涂層硬度（GB/T531.1—2008）硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗(yàn)方法）、耐磨性（GB/T1689—2014硫化橡膠耐磨性能的測(cè)定）、附著力（GB/T1720—1979漆膜附著力測(cè)定法）、耐沖擊性（GB/T1732—2020漆膜耐沖擊性測(cè)定法）、黏結(jié)強(qiáng)度（GB/T5210—2006色漆與清漆拉開(kāi)法附著力試驗(yàn)）、冷熱交替試驗(yàn)（-20~80℃高低溫試驗(yàn)）、耐化學(xué)腐蝕性（耐酸、耐堿、耐鹽）和固化涂層在路面應(yīng)用抗滑性（T0964—2008）等性能指標(biāo)。
3結(jié)果與討論
3.1光固化活性稀釋劑種類對(duì)精表處成型質(zhì)量情況的研究
將HDDA、TPGDA、HDDA:TPGDA=1:1、HDDA:TPGDA=2:1、HDDA:TPGDA=1:2分別按照C組分含量（4.5份）添加到精表處混合材料中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)光固化活性稀釋劑HDDA與TPGDA為1:2，在保證產(chǎn)品自身基礎(chǔ)性能的條件下，體系中的黏度和固化膜柔韌性有明顯改善。
3.2光引發(fā)劑對(duì)精表處成型質(zhì)量情況的研究
確定光固化活性稀釋劑HDDA:TPGDA=1:2的含量為4.5份的情況下，分別按照1%、2%、3%、4%、5%添加陽(yáng)離子光引發(fā)劑Irgacure261，隨著光引發(fā)劑的增加，明顯縮短了光固化反應(yīng)時(shí)間，但光引發(fā)劑含量大于等于4%，容易出現(xiàn)自由基過(guò)?，F(xiàn)象，導(dǎo)致自由基之間直接偶合終止，反應(yīng)速率無(wú)明顯變化。由此確定Irgacure261陽(yáng)離子光引發(fā)劑在A2體系中含量為4%。
3.3光固化精表處材料的性能測(cè)試
按照精表處產(chǎn)品要求，進(jìn)行產(chǎn)品小試應(yīng)用，得如表1的結(jié)果。
3.4試驗(yàn)結(jié)果與討論
從上訴試驗(yàn)評(píng)價(jià)情況可知，添加陽(yáng)離子光引發(fā)劑和光固化活性稀釋劑會(huì)改善低溫產(chǎn)品反應(yīng)活性較低，固化速率慢等狀況，添加光固化材料的產(chǎn)品在15℃環(huán)境條件下黏度有所下降，有利于工程車打開(kāi)噴灑面、均勻噴灑。
4結(jié)語(yǔ)
本文通過(guò)將光固化材料與精表處強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，既提高了精表處的市場(chǎng)占有率，又提高了精表處的施工質(zhì)量和效率。為在環(huán)境溫度低于15℃的情況下，仍能噴涂，使路面快速成型，繼而開(kāi)放交通提供了可能，在橋梁、隧道和夜間施工等道路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。
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作者：吳英 吳飛 楊建萍 吳祥燕 劉驁 單位：重慶誠(chéng)邦路面材料有限公司