绿色环保型地坪材料的技术研究情况分析
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绿色环保型地坪材料的技术研究情况分析

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介绍了地坪的标准体系,讨论了水性、无溶剂环保型环氧、聚氨酯、聚脲、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和纳米硅酸盐地坪涂料的发展现状,对地坪涂料未来的发展做了展望。

地坪是指在建筑地面表面起到耐磨、装饰、洁净、防腐等功能作用的整体面层及其构造系统,随着现代工业技术的发展和工业生产、高品质生活的需要,地坪已成为工业、商用建筑基础设施的一个必不可缺少的重要组成部分。

按照GB 50037—2013 《建筑地面设计规范》标准3.1.12 中的分类, 建筑整体地面层分为水泥类和树脂类两大类。水泥类可分为水泥砂浆、耐磨混凝土和混凝土密封固化剂面层, 这类产品就是在混凝土上加一个面层。现在通过提高混凝土的工艺,改善了混凝土表面的性能,使混凝土自身就可以当面层来用。混凝土类在光洁度、平整度、骨料方面的特点,以及混凝土的颜色、样式及整体装饰的独特性,使之倍受设计师所衷爱,尤其是在环保性方面的优势,已成为物流仓库、超市、商场和工厂地面的流行趋势。树脂类按照成膜物及涂装方式的不同, 又可细分为丙烯酸涂料面层、聚氨酯涂层、聚氨酯自流平涂层、聚酯砂浆面层、环氧树脂自流平涂层、环氧树脂自流平砂浆和干式环氧树脂砂浆。树脂类地坪是通过在水泥砂浆、混凝土、石材或钢板等地面表面进行涂装,对地面表面起保护、装饰或能发挥某种特殊功能的地坪系统。其特点是具有特殊功能性,封闭地层、防起尘、经济,多用于工业地坪项目,在商业地坪项中应用较少。

目前,我国地坪行业材料市场规模约为320.5亿元,其中树脂类地坪材料市场约为280亿元,无机砂浆类地坪材料市场约为30亿元;渗透型液体硬化剂材料市场约为10.5亿元。整个地坪行业市场(含施工),结合行业现状及建安通行计算方法,树脂类地坪材料与人工比例一般为6:4;无机类材料包含耐磨地坪和渗透固化地坪,一般人工费占比较高,按51:1计算约为550亿元。因此有机类地坪因价值高,所以从产值上仍然占据较大份额,市场规模约为465亿元,无机类地坪市场规模约为86.5亿元。

1 树脂地坪的标准体系

国外发达国家已建立了完整的地坪涂料标准体系,其中以欧洲标准体系最为完备。欧洲地坪标准系统主要由欧盟认证的BS EN8204-6 应用规范、FeRFA(英国树脂地坪协会) 制定的详细应用指导细则和BS EN13813 等产品标准组成。BS EN 8204-6《地坪地板和现场施工第6 部分:合成树脂地坪-应用规范》为地坪设计、应用和验收的基础性文件。整个欧洲对树脂地坪的分类是一致的。从材料组成来看,包括环氧地坪、聚氨酯地坪、丙烯酸地坪和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)地坪4 种。从应用交通强度角度分类,分为LD(轻度)、MD(中度)、HD(重度)和VHD(超重度)4 种类型。综合分类可分为8 个系统,欧洲与我国地坪系统分类见表1、表2。

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2 树脂地坪的特点

树脂地坪有别于常规涂装涂层。

(1)厚度:通常系统施工厚度为0.5~6 mm。对于仅有少量人行的LD 交通强度最薄为0.3 mm; 而有大量载重车辆通行,常有冲击荷载的VHD 交通强度最厚为8 mm;

(2)骨料:骨料的主要作用是提高体系的耐磨性和防滑性,材料有石粉、砂、玻璃珠、陶瓷颗粒、金属颗粒、橡胶颗粒等;

(3)复合材料体系:有树脂涂料,也有与水泥胶凝材料复合,及非同类别材料多层复合体系;

(4)施工:除刷涂、喷涂的常规涂覆方式外,还有摊铺、自流平、压砂灌注、研磨抛光等施工方式;

(5)基层处理:研磨、铣刨、喷砂,修补裂纹缝、起砂空鼓、去潮湿、平整度处理,混凝土和砂浆施工等。

(6)耐磨:人行、数百吨车行磨损、冲击荷载,使用寿命;

(7)防滑:防干/湿滑。

3 环保型地坪涂料

作为在树脂类地坪中起着粘接剂(成膜)作用的地坪涂料,它对地坪产品最终性能起着决定性的作用。

3.1 水性涂料

3.1.1 水性环氧

水性环氧树脂地坪的优势:

(1)零/低VOC,低有机物释放,可做到无增塑剂添加;

(2)在各种基材上的极强附着力,与溶剂型和无溶剂体系相比,水性产品具有明显的附着力优势,极佳的潮湿面附着力,非常适合粘接在新浇筑的混凝土上; 极佳的重涂性能,即便是在低温条件下施工,也不会出现油面现象,不含或很少含游离胺;耐黄变好,高质量外观;可以添加较高比例的填料,使用成本低;透气不透水;可以用作底涂、面涂、自流平、砂浆、防腐涂料;施工设备易清洗,无废溶剂之忧。

作为应用于混凝土表面的涂料, 水性环氧体系得到了持续增长。增长的原因在于水性环氧体系产品性能的不断提升,限定VOC 含量的环保法规的推动。同时, 鉴于混凝土的多孔材质以及施工环境中基材所带有的潮气,在表面覆盖涂层的干燥过程中,基材中水汽的挥发会导致涂层剥落或起泡, 油性体系中该现象尤为明显。水性体系较油性体系能更好地润湿底材并耐受潮气,在地坪涂料中独具优势。

3.1.2 水性聚氨酯

聚氨酯涂料是以聚醚树脂、聚酯树脂、丙烯酸树脂或环氧树脂为甲组分,异氰酸酯为乙组分而构成。聚氨酯地坪可以通过改变聚氨酯树脂中软段和硬段的种类与比例,大范围地调节漆膜的硬度、拉伸强度、延伸率和弹性。因此聚氨酯地坪在不同应用功能的开拓上具有很大的潜力。

硅PU (有机硅改性聚氨酯)塑胶地坪通常在其表面需施涂地坪面漆,以有效解决加强层的色差问题,并提高硅PU 塑胶地坪的耐候性、耐磨性和耐化学介质等性能,改善硅PU 塑胶地坪的使用耐久性。

水性技术的发展实现了水基环氧系统在混凝土涂层方面的应用。但是, 现有工业技术存在涂料可施工(开放)时间较短,涂层硬化缓慢、不耐紫外线和成本偏高的问题。

3.1.3 水性纳米硅酸盐涂料

采用高模数(m=5.5)硅酸盐高分子纳米材料制成的水性纳米硅酸盐涂料, 该纳米涂料可直接与水泥发生化学交联, 对水泥及砼土工程表面具有极强的附着力、渗透性,耐磨性、防水性优异,已在大型停车场、厂房车间、广场等地面装饰工程中得到应用。

3.2 无溶剂涂料

3.2.1 无溶剂环氧及其环保型固化剂

无溶剂地坪具有基本无挥发性有机物(VOC)排放,自流平性好,一次成膜厚度>1 mm,涂层表面平整光洁、收缩率低等一系列优点。国外的环氧树脂地坪多以无溶剂系统为主,少量使用水性体系,近年来无溶剂涂料在地坪领域的应用得到了迅猛发展。

(1)亚光环氧自流平地坪

高光泽是环氧树脂的优点之一,但对于地坪而言,高光泽易引起炫光,对人的视觉效果产生影响,造成人眼疲劳和情绪烦躁,影响人的注意力集中。因此,越来越多的用户提出亚光表面的要求。亚光地坪的消光常采用亚光漆罩面、粉料消光、相不相容消光3 种方法。亚光漆罩面法施工方便、效果明显, 现行方法是在普通环氧自流平面层上再涂一道溶剂型或水性亚光涂料,但相应增加了工程造价,也影响了自流平的表面装饰性,延长了工期,近年来采用这种方法的并不多见。粉料消光法是多数的选择,由于受到地坪性能要求的限制,通常只能达到半亚光的效果。相不相容消光法则利用环氧的胺类固化剂种类繁杂、相互间相容性差的特点,通过混配固化剂,形成无数相界面散射来获得消光效果。

(2)柔性环氧自流平地坪

环氧树脂由于固化后形成较稠密的芳香结构,交联密度大,内聚力高,使其固化产物变形能力差、性脆,由此带来许多问题。如伸长率不高、延展性差、粘接力和剥离强度低, 在某些基材上存在较大的内应力情况下,会造成涂层出现开裂等问题,致使环氧树脂在许多特殊的环境中应用受到限制。如钢平台环氧自流平地坪、冷库地坪、以及需要很好裂缝跨接能力的地坪, 普通环氧地坪极易开裂起壳而导致地坪破坏。

目前环氧树脂地坪增韧研究已取得了显著的成果,其增韧方式主要有3 种:①引入柔性化学结构,用脂肪族或脂环族替代芳香族,引入醚键、酯键、酰胺键等替代碳-碳键; ② 降低交联密度, 增加平均网链长度,使用低官能度的反应物,加入非活性的物质,引入长链结构,采用非等当量混合比;③降低颜填料用量。柔性体系的技术要点: ①要考虑加入组分对长期柔性的影响,如非知性增塑剂的迁出;②要兼顾其他的力学和工艺性能,保证基本的强度、模量、硬度和粘结力,确认黏度、操作时间符合要求;③要评估配方的耐久性;④要平衡成本。

3.2.2 无溶剂聚氨酯

传统舱室地面多铺设环氧自流平树脂材料, 杨光付等以组合聚醚多元醇、液化4,4′-二苯基甲烷二异氰酸酯(L-MDI)、扩链剂、阻燃剂、紫外线吸收剂等为原料,制备船舶舱室无溶剂地板涂料。研究了异氰酸酯指数R 值(异氰酸基与羟基摩尔数比值)、扩链剂、填料等因素对力学和阻燃等性能的影响规律, 研制的涂料具有耐磨、防腐蚀、阻燃性能,可满足海洋耐候性和船舶环境使用要求。

彩砂地坪常用于商业领域, 市场上以环氧体系为主。周盾白等 开发的聚氨酯彩砂地坪,采用聚醚多元醇和二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)制备异氰酸酯预聚体,芳香胺和聚醚多元醇为固化交联剂,彩砂为耐磨骨料,兼顾物理性能和低毒环保的要求。虽然对操作环境的要求比环氧严格,但在抗冲击、耐低温、抗紫外、低光污染、步行舒适性等使用性能上有更好的表现。

城市化建设带来大量不透水的地面, 减弱了地表泄流能力,同时阻碍了雨水下渗,隔断了雨水对地下水的补充。聚氨酯透水地坪保留了碎石间开放的孔隙结构,具有高透水效率和储水功能,有利于维持地表水与地下水系之间的动态平衡。

3.3 聚脲地坪

聚脲涂料按固化剂种类可分为芳香族聚脲和脂肪族聚脲2 类。芳香族聚脲的反应速度极快,在地坪领域应用不多。聚天门冬氨酸酯聚脲是一种兼具慢反应和高性能的脂肪族聚脲, 通过在主漆配方中引入低活性的仲胺基长链(聚天门冬氨酸酯),有效地降低了聚脲的反应活性。聚天门冬氨酸酯是由二烷基马来酸酯与脂肪族二胺经过Michael 加成反应制备, 将伯胺转化为仲胺降低了活泼氢的活性。聚天门冬氨酸酯树脂是一种含有空间位阻基团的脂肪族仲二胺, 这类胺共反应物是通过初级胺与马来酸酐酯反应得到的产物。氨基所在的分子结构不同导致聚天门冬氨酸酯的反应活性不同,其反应活性主要取决于侧基的空间位阻,采用脂肪族异氰酸酯交联固化, 可以得到平衡的反应活性和优异的物理性能,具有较长的凝胶时间。

由于聚脲具有较好的防腐性和弹性性能, 能够防止基面的开裂, 对室内和露天水公园等水上项目的混凝土基面防腐涂装效果极佳。洪海诗等研制的双组分弹性防水聚脲涂料, 采用反应活性较低的组合二聚型天门冬氨酸酯聚脲树脂、分散剂、流平剂、消泡剂、脱水剂等配制主漆, 以脂肪族聚异氰酸酯三聚体和低黏度的聚醚型异氰酸酯预聚体弹性为固化剂, 兼顾了涂料较长适用期、厚涂快干的要求,耐水性达到1 000 h不起泡, 断裂伸长率、拉伸强度分别达到了360%和22 MPa。

杂化聚脲是由异氰酸酯封端的预聚物, 与含有羟基和端胺基树脂和扩链剂的固化共混物反应得到的产物。端羟基树脂(例如多元醇)有宽范围的可变性,这些多元醇可以在主链结构、相对分子质量和官能团方面有差异。利用这些特性可以开发出高性能杂化聚脲涂层,其高性能是使用典型的纯聚脲技术所不及。如通过在聚合物主链上加入聚酯多元醇可以提高聚脲的耐烃类溶剂性能;通过在配方中引进聚酯多元醇,能开发出具有优异的耐二甲苯性能涂料。Avery Watkins[32]等的研究显示, 基于疏水性VORAPEL 多元醇的喷涂聚脲涂料作为混凝土防护涂层时, 可提供提供机械性能良好的涂层,同时具有优异的附着力,耐湿气和耐浓酸溶液性能得到提高。

3.4 PMMA 地坪

PMMA 地坪涂料是以改性聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)树脂(预聚物)为主体树脂基料,以甲基丙烯酸甲酯(MMA)和其他甲基丙烯酸酯或丙烯酸酯等反应性单体为交联剂,加入高熔点蜡液、辅助配套专用粉料、骨料及助剂等材料,通过有机过氧化物引发剂引发自由基聚合成膜的一类涂料。

由于PMMA 地坪涂料中不含有芳香族结构及任何变色基团, 使其具有优异的耐候性, 由此弥补了环氧、聚氨酯等传统地坪涂料不能用于室外的缺陷,被大量用于户外混凝土路面、桥面的涂装保护及修复。
户外路面常常饱受雨水的侵蚀,防水性涂层可减轻或抑制因防水不利带来的破坏,有效提高路面的耐久性。

丙烯酸酯类高分子虽然具备诸多优点,但这类高分子涂料不具有疏水性,水在这种涂层表面很容易铺展而形成一层薄薄的水层,这会使地面湿滑,诱发各类事故。而在疏水性涂膜表面,水很容易滚动,超疏水涂膜上甚至不留水痕,这有利于清理积水防止事故发生。

4 结语

相比于聚氨酯和聚脲树脂, 环氧树脂的特点是硬度高、光泽高、反应速度慢,使得它更适于工艺繁琐的艺术地坪施工。聚氨酯树脂韧性高,可调范围广,强度、延伸率回弹性等机械性能,操作时间、固化时间等反应速度,不发泡、微发泡、高发泡等体积变化都可以调节控制,为功能型地坪产品的开发提供了基础条件。聚脲树脂的防水防腐性能优异, 低反应活性高性能的聚天门冬氨酸酯聚脲技术的发展为高端地坪产品大量应用奠定了基础。PMMA 在耐候性、低温固化性能方面的优势,决定了PMMA 在道路交通、桥梁等户外工程项目中得到大量使用。纳米硅酸盐涂料高硬度、阻燃、低VOC,将使它在未来商业地坪项目, 尤其是未来住宅地面装修项目中倍受青睐,逐渐成为地坪市场的主流产品。树脂类地坪的特点是整体无缝、封闭地层、防起尘和细菌、表面平整光洁、特殊功能性,如导电性、防滑减震性、防水防腐性等,产品已得到广泛使用。目前,树脂类地坪发展的主要问题是环保问题, 我国树脂类地坪80%以上为溶剂型, 其余主要为无溶剂环氧和聚脲喷涂体,水性地坪所占比例很小。随着强制性国家标准《地坪涂料有害物质限量》的制定和执行,树脂类地坪的产业结构调整加速推进, 环保型地坪涂料必将获得更大的发展。


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