绢云母_环氧树脂复合涂层耐磨性能及其增强机理研究.pdf

为提升对混凝土结构的防护能力,该文研究制备了一种绢云母/环氧树脂复合涂层,通过抛磨法对其耐磨性能进行了表征测试,并在此基础上通过微观分析研究了其增强机理。实验结果表明绢云母的加入会增强环氧涂层的防水性能和耐磨性,降低其导热性,其对环氧树脂的作用为物理作用。复合涂层的耐磨性能先增强后减弱,当掺量为9%时,复合涂层的接触角为8 2.1,抛磨后的最大吸水率为1.0 3%,绢云母/环氧树脂复合涂层的防水性能和耐磨性能最佳。当掺量超过9%时,绢云母片的加入会对复合涂层的耐磨性能产生负面影响。关键词:绢云母;环氧树脂;复合涂层;耐磨性;增强中图分类号:T V 4 3 1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 8-0 1 1 2(2 0 2 3)0 8-0 0 5 8-0 5 收稿日期:2 0 2 3-0 3-2 6;修回日期:2 0 2 3-0 5-1 1基金项目:2 0 2 2年度广州市科技计划项目(编号:2 0 2 2 0 1 0 1 1 4 9 3)。作者简介:罗顺杰(1 9 9 3-),男,博士,主要从事混凝土耐久性及其防护涂层的研究工作。1 概述混凝土是全世界使用最广泛的人造建筑材料,也是海洋环境中各类工程的首选材料1-3。然而由于混凝土的多孔性和脆性,在海水长期的浸泡和冲刷下,S O2-4、C l-等腐蚀性介质会通过其孔隙进入内部,造成混凝土结构的腐蚀和破坏,从而导致耐久性失效4-5。提升混凝土材料和结构耐久性的方法包括:提高混凝土材料自身抵抗能力,提高致密度,减少开裂。如采用高性能外加剂,添加矿物掺和料6,降低水灰比,优化材料组成7等;另一种方法则是阻隔环境作用,对混凝土进行表面防护,其中采取涂层防护不仅施工简单,成本低廉,同时在新旧混凝土工程中均可使用,可 有 效 提 高 混 凝 土 结 构 的 防 水 性 以 及 耐久性8-9。混凝土防护涂层按涂层组成可分为有机涂层、无机涂层以及有机无机复合涂层,在恶劣环境下,单一涂层体系已很难为混凝土结构提供稳定长期的保护,因此现阶段国内外研究人员综合利用有机涂层和无机涂层的优势开发有机无机复合涂层来提升对混凝土结构的防护能力1 0-1 4。宋莉芳1 5等利用含氟丙烯酸酯共聚乳液与表面改性后的纳米S i O2微球制备得到了纳米S i O2微球/含氟丙烯酸复合涂层,复合涂层在设定的融雪盐腐蚀前后相较其他市售涂层保持色差、光泽度以及表面状况稳定,具有优异的耐融雪盐腐蚀性能;Z E Z E A r m a n d e1 6等通过环氧树脂提高地聚物的延展性和体积稳定性,合成了环氧树脂-地聚物复合涂层,树脂掺量为3 0%的复合涂层在三轮海水湿-干循环后的线性极化电阻约为未涂覆涂层时间的1 1倍,复合涂层具有良好的耐海水腐蚀性能;许志坚1 7等利用长链烷基改性的纳米粒子与环氧树脂复合制备了纳米杂化环氧树脂涂层,复合涂层具有良好的耐磨性能,耐摩擦次数可达到1 5 0 0次以上。通过合理选择有机以及无机原材料可以制备性能优异,具有多功能性的复合涂层,以此来满足恶劣环境下涂层对混凝土结构的防护需求。本文利用活化后的绢云母和渗透型环氧树脂制备了绢云母/环氧树脂复合涂层,利用无机硅酸盐材料的刚性提高了渗透环氧树脂的耐磨性,并通过抛磨法测试了复合涂层的耐磨性能,借助微观测试分析了85绢云母对复合涂层耐磨性能的增强机制,为复合涂层实际应用于混凝土在海洋环境下的冲磨防护提供参考。2 试验材料及方法2.1 材料深圳海扬粉体科技有限公司的绢云母粉,作为无机基础材料,其主要化学组成见表1所示;渗透型环氧树脂涂层(自制),一种棕黄色液体涂料,作为有机基础材料,分为A B两个组份,A为渗透型环氧树脂原液,B为固化剂,使用比例为1 0 07.5。硫酸(分析纯)、蒸馏水用于活化绢云母,水泥为广州市珠江水泥厂生产的 P 4 2.5 R 硅酸盐水泥(其化学组成见表2)。制备了水灰比为0.5的标准砂浆,作为复合涂层涂附的基底,用于复合涂层性能测试。表1 绢云母化学组成(w t.%)组成S i O2A l2O3K2O N a2O F e2O3M g OS O3C a OT i O2B a O含量6 4.2 1 2 1.0 2 6.5 1 2.3 1 1.9 5 1.3 1 1.2 5 0.9 3 0.2 4 0.1 9表2 P 4 2.5 R水泥的化学组成(w t.%)组成C a OS i O2A l2O3F e2O3M g OK2ON a2OS O3R e s t含量 6 3.5 1 2 1.8 6 4.4 52.3 51.6 70.5 50.2 62.9 12.3 32.2 绢云母/环氧树脂复合涂层的制备将绢云母通过酸活化并用蒸馏水洗涤至中性,烘干后得到活化后的绢云母。将所得到的活化后的的绢云母按不同掺量(3%、6%、9%、1 2%)加入到渗透型环氧树脂原液中,高速搅拌1 5 m i n之后再加入固化剂,即可得绢云母/环氧树脂复合涂层。2.3 试验方法按照水:水泥:标准砂比例为0.5/1.0/3.0制备水灰比为0.5的水泥标准砂浆,在2 8 d标准养护之后在1 0 5 下干燥3 d。干燥后将混合搅拌好的涂层均匀涂附在砂浆上,涂层在2 5 下固化并养护1 4 d以后得到 测 试 用 样 品。通 过 德 国D a t a p h y s i c s公 司 的 D C A T 2 1接触角仪对复合涂层的接触角进行了测试;将复合涂层均匀涂刷在塑料培养皿上形成透明薄膜,待环氧树脂固化后脱膜得到薄膜样品,通过瑞典H o t D i s k公司生产的H o t D i s k T P S 2 5 0 0 S型热常数分析仪测试对复合涂层的导热性进行测试;采用抛磨法来评价复合涂层的耐磨性能,主要通过自制磨损机对试样涂覆复合涂层的表面进行磨损(磨损机主要部件构造如图1所示),在样品抛磨后将其烘干,之后再将其余未涂覆面密封后进行吸水率测试,通过抛磨后涂覆涂层样品的吸水率变化来对涂层的耐磨性能进行评价。1.底座;2.调位部件;3.固定凸块;4.摩擦部件;5.工件夹移部件;6.连接杆;7.竖直位移组件;8.水平位移组件;9.称动块图1 磨损机主要部位构造示意2.4 微观分析使用德国B r u k e r 公司的 V E C T O R-2 2 I R型 红外光谱仪对绢云母粉和复合涂层薄膜进行傅立叶变换红外光谱测试,测试波谱范围从 6 5 0 4 0 0 0 c m-1,红外测试的分辨率为 4 c m-1,每次测试扫描6 4次。通过美国F E I公司生产的N O V A N A N O 4 3 0型扫描电子显微镜对抛磨后复合涂层的正面和侧面形貌进行观测,通过将涂刷复合涂层的砂浆样品切割烘干后,再在真空条件下喷金处理得到扫描电子显微镜的测试样品,扫描电镜测试时的加速电压为1 0.0 k V,工作距离为5 mm,可放大的倍数为3 0 3 0 0 0 0 0倍。3 结果与讨论3.1 复合涂层的耐磨性能图2为抛磨后涂覆绢云母/环氧树脂复合涂层砂浆的吸水率曲线,通过抛磨后复合涂层随浸泡时间的吸水率变化来评价其耐磨性能。由图2可以看出,纯渗透环氧树脂涂层抛磨后浸泡后最大吸水率为1.6 0%,涂覆不同掺量绢云母片复合涂层的砂浆其最大吸水率随着掺量的增加先减少后增大,在掺量为9%时,其最大吸水率相对最小,为1.0 3%。说明加入绢云母可以降低环氧树脂涂层抛磨后的吸水率,从而提高渗透环氧树脂的耐磨性,掺量为9%时,绢云母/环氧树脂复合涂层的耐磨性能最好。当绢云母掺量超过9%时,对复合涂层的耐磨性产生负面影响。952 0 2 3年8月 第8期罗顺杰,等:绢云母/环氧树脂复合涂层耐磨性能及其增强机理研究N o.8 A u g.2 0 2 3图2 抛磨后涂覆绢云母/环氧树脂复合涂层砂浆的吸水率示意3.2 复合涂层接触角和导热系数试验分别对制备所得复合涂层的接触角和导热系数进行了测试(如图3所示),由图3可知,未加入绢云母片的纯渗透环氧树脂涂层其表面接触角为6 8.2,加入绢云母片的复合涂层其接触角均大于纯渗透环氧树脂涂层,且接触角随着绢云母片掺量的增加先增大后减小,在绢云母掺量为9%,复合涂层的接触角最大为8 2.1,说明绢云母片的加入会使得渗透环氧树脂涂层的接触角增加,提升了复合涂层的防水性能。由图3可得纯渗透环氧树脂涂层导热系数为0.7 6 5 1 W/mK,复合涂层导热系数均小于纯渗透环氧树脂,随着绢云母的掺量先减小后增大,在绢云母掺量为6%时,导热系数最小为0.6 8 3 6 W/mK。导热系数的结果表明绢云母片的加入还会降低渗透环氧树脂涂层的导热系数,使得复合涂层的热传递性下降,减少了热量在复合涂层内部的传输,增强了涂层的热稳定性。结合耐磨性能结果,绢云母掺量为9%时,复合涂层综合性能最好。图3 绢云母/环氧树脂复合涂层的接触角以及导热系数示意3.3 绢云母化学分析及微观形貌图4为绢云母粉的红外吸收光谱示意,从图中可以看出,3 6 2 0 c m-1处对应于其层状结构中-A l-O键的伸缩振动峰,而1 0 7 7 c m-1,1 0 2 2 c m-1,8 2 8 c m-1,7 5 8 c m-1处均为绢云母结构中-S i-O的伸缩振动峰,其弯曲振动峰则处于5 2 7 c m-1,4 7 1 c m-1,4 1 6 c m-1三处峰位,3 4 0 7 c m-1处的红外吸收峰归因于云母片层间的水分子中-O H的伸缩振动,此外在1 6 2 3 c m-1处的吸收峰为其弯曲振动产生的,也证明了其层间水分子的存在,7 8 2 c m-1处的吸收峰表明绢云母中可能有蒙脱石晶体的存在,而6 8 9 c m-1处以及1 6 3 0-2 0 0 0 c m-1范围内存在的连续峰表明了绢云母表面有少量的有机杂质。图4 绢云母红外光谱示意图5 a、图5 b为绢云母的扫描电镜图,图5 c、图5 d为绢云母的透射电镜图。从扫描电镜图可以看出绢云母为无规则的片层状结构,片层状绢云母拥有较大的径厚比。从透射电镜则可以明显观察到绢云母为多层堆叠的结构。图5 绢云母片扫描以及透射电镜示意3.4 复合涂层的化学分析红外光谱可用于分析云母对渗透环氧树脂化学组分的影响。图6为复合涂层与原渗透环氧红外光谱。从图中可以看出,环氧树脂中芳香基的伸缩振动峰主要分布在 1 4 6 1 c m-1、1 5 0 8 c m-1 和 1 6 0 8 c m-1 三个062 0 2 3年8月 第8期广东水利水电N o.8 A u g.2 0 2 3峰位置处,固化后反应生成的醚键伸缩振动峰主要在1 0 1 4 c m-1和 1 2 3 8 c m-1 两个位置,环氧基团的伸缩振动峰主要在 8 2 7 c m-1 和 9 2 6 c m-1 两个位置。对比不同掺量复合涂层与未加入绢云母的渗透环氧红外光谱可以看出,加入绢云母的复合涂层与原渗透环氧涂层在特征吸收峰位置以及强度上未发生明显变化,说明绢云母的加入不会使渗透环氧的化学组分发生变化,绢云母对渗透环氧的作用为物理作用。图6 绢云母/环氧树脂复合涂层及纯渗透环氧树脂涂层红外光谱示意3.5 复合涂层的微观形貌绢云母/环氧树脂复合涂层砂浆纵截面扫描电镜图如图7所示,由图可以看出,随着绢云母掺量的增加,复合涂层中绢云母堆叠层的厚度逐渐增加,堆叠层中腐蚀性介质可渗透的有机环氧部分也逐渐减少,此外,当掺量为3%(见图7 a)和6%(见图7 b)时,复合涂层对叠层中拥有较多可渗透的有机环氧部分,当掺量为9%(见图7 c)和1 2%(见图7 d)时复合涂层堆叠层中绢云母片堆叠紧密,存在较少的可渗透的有机环氧部分,这说明随着掺量增加,绢云母片在复合涂层中堆叠会更为紧密,堆叠层也会更厚,从而增强绢云母/环氧树脂复合涂层的耐磨性能,当掺量过大时,由于绢云母片之间的作用在复合涂层堆叠层中产生许多缺陷,从而对涂层性能产生负面影响。图8为抛磨后绢云母/环氧树脂复合涂层表面扫描电镜图,由图可以观察得抛磨后复合涂层表面较为粗糙,涂层表面凸起部分颜色较亮,对比可以看出当掺量为6%(见图8 b)和9%(见图8 c)时,复合涂层表面相较其他掺量涂层表面粗糙度以及曝光度较低,而当掺量为9%时,复合涂层表面最为平整,涂层颜色最为均匀,说明掺量为9%时复合涂层的耐磨性能最好,这与抛磨后涂覆绢云母/环氧树脂复合涂层砂浆的吸水率相一致。图7 绢云母/环氧树脂复合涂层砂浆纵截面扫描电镜示意图8 抛磨后绢云母/环氧树脂复合涂层表面扫描电镜示意4 结语本文通过抛磨法研究了不同掺量的绢云母片对环氧树脂涂层耐磨性能的影响,并在此基础上通过微观分析研究了其增强机理,得出以下结论:1)绢云母的加入会增强环氧树脂涂层的防水以及耐磨性能,降低其导热性,当掺量为9%时,复合涂层的接触角为8 2.1,抛磨后的最大吸水率为1.0 3%,复合涂层的防水性能和耐磨性能最好。2)绢云母对渗透环氧的作用为物理作用,绢云母片的片层特性使得复合涂层结构密实,进而增强复合涂层的综合性能。3)复合涂层的耐磨性能随着云母片掺量的增加先增强后减弱,当掺量超过9%时,绢云母片的加入会使得复合涂层堆叠层中产生缺陷,对其耐磨性能产生负面影响。参考文献:1 S H I X,N I N G X,F O R T U N E K,e t a l.D u r a b i l i t y o f s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n c h l o r i d e e n v i r o n m e n t s:A n o v e r v i e wJ.C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g M a t e r i a l s,2 0 1 2(3 0):1 2 5-1 3 8.162 0 2 3年8月 第8期罗顺杰,等:绢云母/环氧树脂复合涂层耐磨性能及其增强机理研究N o.8 A u g.2 0 2 32 施惠生,王琼.海工混凝土使用寿命预测研究J.建筑材料学报,2 0 0 4,7(2):1 6 1-1 6 7.3 L I J Q,WU Z M,S H I C J,e t a l.D u r a b i l i t y o f u l t r a-h i g h p e r f o r m a n c e c o n c r e t e-A r e v i e wJ.C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g M a t e r i a l s,2 0 2 0(2 5 5):1 1 9 2 9 6.4 杨文武,钱觉时,范英儒.磨细高炉矿渣对海工混凝土抗冻性和氯离子扩散性能的影响J.硅酸盐学报,2 0 0 9(1):2 9-3 4.5 Q U F L,L I W G,D O N G W K,e t a l.D u r a b i l i t y d e t e r i o r a t i o n o f c o n c r e t e u n d e r m a r i n e e n v i r o n m e n t f r o m m a t e r i a l t o s t r u c t u r e:A c r i t i c a l r e v i e wJ.J o u r n a l o f B u i l d i n g E n g i n e e r i n g,2 0 2 1(3 5):1 0 2 0 7 4.6 黄金林,潘泓泽,李青等.玄武岩纤维及矿物掺合料对再生骨料透水混凝土性能的影响研究J.广东水利水电,2 0 2 3(5):1 5-2 0.7 王维.高寒地区特大桥混凝土盐冻性能配合比优化研究J.混凝土,2 0 2 1(5):1 1 9-1 2 2.8 党俐,陆文雄,梁晶晶.新型混凝土防护涂层的合成及其性能研究J.混凝土,2 0 0 6(1 0):9 1-9 3.9 孙丛涛,康莉萍,赵霞,李伟华.混凝土涂层的抗渗性能J.硅酸盐通报,2 0 1 6,3 5(5):1 3 7 8-1 3 8 4.1 0 郑斌,宋家乐,袁驰,等.混凝土表层改性纳米S i O2复合涂 层 研 究 进 展 J.功 能 材 料,2 0 2 1,5 2(1 2):1 2 0 4 3-1 2 0 4 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i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 0,C h i n a;3.G u a n g d o n g P r o v i n c i a l A c a d e m y o f B u i l d i n g R e s e a r c h G r o u p C o.,L t d.,G u a n g z h o u 5 1 0 5 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o i m p r o v e t h e p r o t e c t i o n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e,a s e r i c i t e/e p o x y r e s i n c o m p o s i t e c o a t i n g w a s p r e p a r e d i n t h i s p a p e r,a n d w e a r r e s i s t a n c e o f t h e c o a t i n g w a s c h a r a c t e r i z e d a n d t e s t e d b y p o l i s h i n g.O n t h i s b a s i s,t h e e n h a n c e m e n t m e c h a n i s m o f t h e c o m p o s i t e c o a t i n g w a s s t u d i e d b y m i c r o s c o p i c a n a l y s i s.T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e a d d i t i o n o f s e r i c i t e e n h a n c e d t h e w a t e r p r o o f a n d w e a r r e s i s t a n c e o f t h e e p o x y c o a t i n g a n d r e d u c e d t h e r m a l c o n d u c t i v i t y.T h e w e a r r e s i s t a n c e o f c o m p o s i t e c o a t i n g s f i r s t l y e n h a n c e d a n d t h e n w e a k e n e d,t h e m a x i m u m c o n t a c t a n g l e o f t h e c o m p o s i t e c o a t i n g w a s 8 2.1 a n d t h e m a x i m u m w a t e r a b s o r p t i o n a f t e r p o l i s h i n g w a s 1.0 3%w h e n t h e c o n t e n t o f s e r i c i t e w a s 9%,t h e w a t e r p r o o f a n d w e a r r e s i s t a n c e o f t h e s e r i c i t e/e p o x y c o m p o s i t e c o a t i n g s w a s t h e b e s t.T h e a d d i t i o n o f s e r i c i t e h a s a n e g a t i v e i m p a c t o n t h e w e a r r e s i s t a n c e o f t h e c o m p o s i t e c o a t i n g w h i l e t h e c o n t e n t s e x c e e d 9%.K e y w o r d s:s e r i c i t e;e p o x y;c o m p o s i t e c o a t i n g s;w e a r r e s i s t a n c e;e n h a n c e m e n t262 0 2 3年8月 第8期广东水利水电N o.8 A u g.2 0 2 3