道路标线涂料的正交试验研究

当前,道路标线涂料已经成为我国交通设施建设用原材料的重要组成部分[1 ] 。但是相对于我国公路事业的发展,我国道路标线涂料研究起步较晚,发展速度较慢。目前我国所使用的道路标线涂料有两类:一类是常温溶剂型涂料[2 ] ,具有施工方便、适应性强和价格低廉等优点。但该类涂料施工过程中溶剂大量挥发,不仅威胁到施工人员的健康,还造成环境污染;另外由于单次涂膜较薄,致使此种涂料涂覆次数多并且涂膜耐磨性能较差。第二类是热熔型涂料[3 ] ,其成分中无挥发性溶剂成份,具有施工速度快、耐久耐磨性强等特点,但由于热熔涂料的涂膜较厚,单位涂敷面积的造价一般高出常温涂料几倍。且热熔涂料对路况、天气等条件的要求比较高,施工的设备和工艺复杂,需要更多的设备投资。

本文中针对常温溶剂型道路标线涂料固含量低的缺点,采用反应性单体苯乙烯为溶剂,以不饱和聚酯树脂及废旧聚苯乙烯塑料为主要基体树脂,配以引发剂等其他材料,制得一种新型道路标线涂料。该涂料可根据需要调整粘度及固化时间,施工现场预聚,直接涂装,成膜时体系中溶剂单体参与反应,挥发量极小,具有热熔型涂料干燥成膜快、固含量高、涂膜厚度适当等优点,同时对路况及气候适应性强。另外涂料中采用了废旧聚苯乙烯塑料作为成膜物质之一,不仅降低了涂料的成本,还为废旧聚苯乙烯塑料的回收利用及增值提供了有效途径。因此,从环保角度来看,本文中所制备的道路标线涂料不仅成功地消除了传统溶剂型道路标线涂料在施工中对环境的危害,还为有效治理废旧聚苯乙烯塑料对环境的污染提供了方法。

1 　实验部分
111 　实验仪器、原料及制备方法
11111 　实验仪器及设备
J G328B 电光分析天平,上海医用激光仪器厂;SFJ – 400 磨砂、分散、搅拌多用机,上海现代环境工程技术公司;JTX – II 型洗涤耐磨试验机,上海丰贤丰城机械厂;QCJ 型漆膜冲击器,天津材料试验机厂;S – 2500 扫描电镜,日本日立公司。

11112 　原材料及准备
邻苯二甲酸二丁酯、分析纯,天津市化学试剂厂;苯乙烯、环烷酸钴溶液( w = 10 %) 、过氧化环己酮溶液( w = 4 %) 、磷酸三丁酯、191 不饱和聚酯树脂均为市购工业级产品;金红石型钛白粉、立德粉、滑石粉、石英粉均通过240 目筛聚苯乙烯废旧泡沫塑料;聚合物M溶液为(简称M) 自制。

11113 　涂料的制备
将不饱和聚酯树脂、聚苯乙烯溶液和颜料填料按照一定的比例加入高速分散机中进行分散,在分散的过程中再加入一定量的消泡剂和增塑剂。分散速度为3 200 r/ min。分散均匀过滤即得成品。

1. 2 　正交试验设计
在本实验中,选择A(聚苯乙烯溶液) 、B (191 不饱和聚酯树脂) 、C(固化剂) 、D(聚合物M溶液) 为主要影响因素。在滑石粉、石英粉、轻质碳酸钙、钛白粉、立德粉、消泡剂、增塑剂掺加量固定的条件下进行实验,具体实验因素水平见表1 ,正交试验正交表如表2 所示。

2 　结果与讨论
211 　利用正交试验研究影响涂膜质量因素
按照表1 的配比进行正交试验,并对涂料试样进行性能测试,现象和性能测试结果如表3 示。制得的涂料静置几天后,无沉降分层现象,大多数涂层外观白色平整,无龟裂、起泡等现象;耐水性和耐洗刷性良好;挥发量最高为11. 35 % ,这与涂料制备中聚苯乙烯溶液的用量有关,远远小于常用的溶剂型道路标线涂料的挥发量,硬度均已达到道路标线涂料的要求。

以在标准板上作的附着力数据作为试验指标,对正交试验数据进行分析如表2 所示。
从正交试验以附着力为主要指标所确定出来的优化方案为:聚苯乙烯溶液(PS) 25 份;191 不饱和聚酯树脂50 份;固化剂2 %;聚合物M 溶液4 份。以上分析结果表明,聚合物M溶液的用量对附着力的影响是最大的,不饱和聚酯树脂的用量对附着力的影响次之,而聚苯乙烯的含量及固化剂的用量对附着力的影响很小。

212 　最佳配方和性能测试
根据正交分析表,又因为M 溶液不饱合聚酯的用量对附着力影响较大,故保持不变;而PS 溶液用量对附着力影响很小,故加大PS 溶液用量以降低成本。综合考虑成本因素,最终确定涂料最佳配方如表4 ,产品的主要性能如表5 所示。

　以上各主要的性能指标均达到或优于中华人民共和国公共安全行业道路标线涂料标准。
213 　聚合物M溶液对涂层影响的理论解释
由以上实验数据可以看到:聚合物M 溶液对涂层的附着力的提高有显著作用,分析原因如下:多组分材料的各项力学性能与各组分之间的界面性能有很大的关系,材料不良的界面会造成应力集中,常常是材料被破坏的薄弱环节;良好的界面状况是多组分高性能材料具有良好力学性能的基本要求。在本试验中,聚合物M溶液为多组分聚合物及活性小分子溶液,溶液不仅包含非极性、极性分子链,还具有极性和非极性侧链以及一些反应性小分子物质。非极性的主链与高分子基体(聚苯乙烯及不饱和聚酯树脂) 相容,极性的侧链及活性小分子与马口铁板及无机填料表面的极性基团相互作用,因而增大了无机填料与高聚物基体的界面结合性能,当其材料受到应力时,可以通过界面结合很好的无机填料点将应力传递到各个分子链上,如果其中某一根链发生断裂,其它链可以照样起作用,而不至于危及材料整体。

214 　涂膜表面的电镜分析
为了进一步研究涂料的微观结构,我们对附着力好的试样4 和附着力差的试样1 分别做了电镜照相分析,观察了基体和填(颜) 料的结合情况及涂膜和底材的结合情况。图1 为未加聚合物M 溶液的试样1 的电镜照片,图2 为已加聚合物M 溶液的试样4 的电镜照片。
图1 是试样1 放大1 000 倍的电镜照片,其中1位置标示的是填料的颗粒,2 位置标示的是基体材料。可以看出填料与树脂基体的界面结合不十分紧密,填料没有被基体材料完全包裹。相比较而言,加入聚合物M 溶液的涂料试样4 涂膜的样品的界面状况良好,图2 所示是试样4 放大1 000 倍的电镜照片,其中1 位置标示的是一个填料颗粒,和图1 相比较,可以清楚地看出,图2 中填料颗粒与基体材料之间界面结合紧密,颗粒的外部轮廓不明显,说明基体与填料间结合良好。

3 　结论
(1) 正交试验所确定的道路标线涂料最佳方案为:聚苯乙烯溶液(PS) 25 份;191 不饱和聚酯树脂50份;固化剂2 %;聚合物M溶液4 份。
(2) 聚合物M溶液可以显著提高树脂基体与无机填料及基板之间的界面结合能力。
(3) 本文中研究的常温溶剂型涂料,涂膜厚度适当、耐磨性能好、附着力强,并具有气候适应性强等优点。
(4) 本方法制备工艺简单,生产成本低廉,涂料挥发量低,不仅基本无“三废”排放,而且充分利用回收废旧聚苯乙烯,减少日益严重的“白色污染”,因此具有广阔的发展前景。