水性环氧地坪涂料的配方设计及施工
施雪珍，施生君，陈铤
（上海绿嘉水性涂料有限公司）
摘要：简述了水性环氧地坪涂料的特点，重点讨论了水性环氧地坪涂料的配方设计及其主要成分对涂膜性能的影响，并给出了水性环氧地坪涂料的配方实例及性能，在这基础上简要介绍了水性环氧地坪涂料的施工工艺。
关键词：水性环氧地坪涂料；配方设计；施工工艺
Formulation design and construction of waterborne epoxy floor coating
Shi Xuezhen, Shiwet, Chen Ting
(Shanghai Greenguard Waterborne Coatings Co. , Ltd.)
Abstract: This paper briefly introduced the features of waterborne epoxy floor coating. Then the key factors in the formulation design, and the effects of the main components on the coating performance were discussed. A formulation example and its property were brought forward, followed by the construction technology
Key words: Waterborne epoxy flooring coating; formulation design; construction technology
1 前言
环氧树脂涂料具有硬度高、耐磨性好、附着力高和耐化学药品性能优异等特点，广泛应用在工业地坪涂装领域。近年来，随着人们环保意识的不断提高，许多国家相继颁布了限制挥发性有机溶剂（VOC）的环保法规，涂料的水性化、无溶剂化和高固体分化已成为涂料发展的必然趋势。
我国的工业地坪涂料目前基本上是溶剂型和无溶剂型环氧地坪涂料，溶剂型环氧地坪涂料含有较多的有机溶剂，这些有机溶剂在涂料的生产和施工阶段排入大气，污染环境，同时危害人类健康；无溶剂型环氧地坪涂料含有少量的活性稀释剂，常用的活性稀释剂为丁基环氧丙基醚（有一定毒性），采用自流平施工工艺，涂膜厚度为1-5mm，成本较高且含有少量的挥发性有机溶剂。
与普通的溶剂型环氧地坪涂料相比，水性环氧地坪涂料具有以下优势[1]：（1）以水作为分散介质，不含甲苯、二甲苯之类的挥发性有机溶剂，不会造成环境污染，没有失火的隐患，满足当前环保的要求，当然也可加入少量的丙二醇甲醚等无空气污染的醇醚类溶剂来改善水性环氧涂料的成膜。（2）可在潮湿环境中施工和固化，有合理的固化时间，保证涂膜有较高的交联密度。（3）对大多基材具有良好的附着力，即使是潮湿的基材表面同样有良好的粘结性。（4）操作性能好，施工工具可用水直接清洗，可以重复使用，涂料的配制和施工操作安全方便。（5）固化后的涂膜光泽柔和，质感较好，并且具有较好的防腐性能和单向透气性。
因此，随着环保法规和人们环保意识的增强，水性环氧地坪涂料将会得到广泛的应用，研究和开发水性环氧工业地坪涂料具有很大的经济效益和社会效益。本文较为系统的讨论了水性环氧地坪涂料的配方设计及其主要成分（环氧树脂、水性环氧固化剂、颜填料、助剂和共溶剂等）对涂膜性能的影响，并给出了水性环氧地坪涂料的配方实例及性能，在这基础上简要介绍了水性环氧地坪涂料的施工工艺。
2 水性环氧地坪涂料的配方设计
2.1 环氧树脂
环氧树脂类型对水性环氧地坪涂料的性能影响很大。由于双酚A型环氧树脂分子中含有极性高而不易水解的羟基和醚键，使其对混凝土等多种基材有良好的附着力，涂料固化时的体积收缩率低，耐化学药品性能良好。并且双酚A型环氧树脂为刚性的苯环和柔性的醚键交替排布的结构，赋予涂膜较好的物理机械性能，所以这类环氧树脂被广泛用于地坪涂料，而其他类型的环氧树脂如双酚F型和酚醛环氧树脂则应用的较少。
目前国内外环氧树脂的水性化技术主要分为乳化法和成盐法两大类[1]。乳化法指的是环氧树脂的直接乳化、不用外加乳化剂的自乳化或水性环氧固化剂乳化，而成盐法[1-2]则是将环氧树脂改性成富含酸或富含碱的树脂，再用小分子量的碱或酸进行中和。对于用作水性环氧地坪涂料的环氧树脂乳液宜选用乳化法来制备。
（1） 直接乳化法
将环氧树脂和乳化剂混合，加热到合适的温度，在激烈的搅拌下缓慢加水完成相反转来制得水性环氧树脂乳液。可采用的乳化剂有聚氧化乙烯烷基醚（HLB=10.8~16.5）和聚氧化烷基酯（HLB=9.0～16.5）[3]，当然也可合成专用的水性环氧乳化剂，本公司采用聚四氢呋喃（PTMEG）合成水性环氧乳化剂，用该乳化剂乳化形成的水性环氧树脂粒径较小，储存稳定性较好，并且加入固化剂固化后的涂膜耐化学药品性能和耐热性也较好。
（2） 自乳化环氧树脂
在环氧树脂分子链中引入亲水性氧化乙烯链段或氧化丙烯链段，同时保证每个改性后的环氧树脂分子上含有两个或多个环氧基，不用外加乳化剂即可自分散形成乳液[4]。本公司采用聚氧化乙烯和氧化丙烯的嵌段共聚物与双酚A型环氧树脂和双酚A反应制得具有自乳化功能的高分子量环氧树脂，反应过程中以三苯基膦作为催化剂，改性后的环氧树脂很容易分散在水中，可预先制成水性环氧树脂乳液或在施工场合就地乳化，且由于亲水链段包含在环氧树脂的分子链中，固化后涂膜的耐化学药品性能有所提高。
（3） 水性环氧固化剂乳化环氧树脂
水性环氧固化剂乳化环氧树脂的原理是对多元胺进行改性，使其成为具有亲环氧树脂结构的水性环氧固化剂，同时该固化剂又作为阳离子型乳化剂完成对环氧树脂的乳化，用该方法制备的水性环氧树脂乳液具有良好的稳定性，并且由于环氧树脂组分不需进行亲水改性，可以保证涂膜的耐化学药品性能良好[1,4]。
用这三种方法制备的水性环氧树脂乳液均适用于水性环氧地坪涂料，用水性环氧固化剂乳化环氧树脂法宜选用低粘度的液体环氧树脂，这样有利于固化剂的混合乳化；对于高分子量环氧树脂则应该用直接乳化法或自乳化法制备，并且所用的高分子量环氧树脂需过量40-60％才能保证涂膜的最终性能。
2.2 水性环氧固化剂[1]
水性环氧固化剂是决定水性环氧地坪涂料最终性能的关键组分之一。作为水性环氧树脂的固化剂，应能够较好地溶解或分散在水中，而且在水中能够稳定存在，与环氧树脂要有良好的相容性。固化剂可直接乳化环氧树脂或与水性环氧树脂乳液配成稳定的水性环氧树脂体系，同时体系的流变性能、适用期、固化条件和涂膜性能也应满足地坪涂料使用的要求。
酸酐遇水会分解，不适合作为水性环氧树脂的固化剂，并且水性环氧地坪涂料常用在室温固化的场合，因而常用的水性环氧固化剂大多为多元胺或其改性产物，利用其分子中胺基上的活泼氢与环氧树脂分子中的环氧基反应。多元胺常用的改性方法有以下三种：第一种是由多元胺与单脂肪酸反应制得的酰胺化的多胺，第二种是由二聚酸与多元胺进行缩合而成的聚酰胺，第三种是由多元胺与环氧树脂加成得到的多胺-环氧加成物。这三种方法均采用在多元胺分子链中引入非极性基团，使得改性后的多胺固化剂具有两亲性结构，以改善与环氧树脂的相容性。
酰胺化的多胺[5]本身具有一定的水溶性或水可分散性，无需借助于助溶剂或乳化剂的作用就可获得一定范围的水可稀释性，从而可以用作水性环氧树脂的固化剂。并且酰胺化的多胺具有表面活性剂的作用，低分子量液体环氧树脂不需要预先乳化，而由酰胺化多胺在施工前混合乳化，用酰胺化多胺乳化环氧树脂配成的水性环氧体系具有施工性能好，适用期长等优点。但用单脂肪酸改性的酰胺化多胺固化剂与环氧树脂的相容性不是太好，容易发生相分离而在涂膜表面出现浮油和凹坑等表面缺陷，并且固化不充分造成涂膜的耐化学性能和耐湿性较差。
采用二聚酸与多元胺进行缩合来制备水性聚酰胺固化剂，这样改性可改善与环氧树脂的相容性，涂膜表面也不会出现因不相容而造成的表面缺陷。但用聚酰胺固化剂乳化的环氧树脂体系的适用期较短，一般不超过一小时就会凝胶化，这对于地坪施工会带来一定的麻烦。并且用聚酰胺固化的涂膜柔韧性较差，抗冲性能较差，涂膜偏脆。水性聚酰胺固化剂由于合成时二聚酸中不饱和双键的存在而容易被空气中的氧气氧化导致固化剂的颜色变深，不适合作为色泽要求较高的水性环氧地坪涂料的固化剂。
由于用酰胺化多胺和聚酰胺水性固化剂固化的涂膜或多或少存在缺陷，而改性后的涂膜性能又没有明显改良，因此国外采用的水性环氧固化剂为多元胺-环氧加成物，采用环氧树脂与多元胺反应，在多元胺分子链中引入环氧树脂分子链使得合成后的固化剂具有亲环氧树脂的分子结构，减少固化剂分子中伯胺基团的含量可明显降低固化剂的活性，使得用这种类型的水性环氧固化剂乳化的环氧体系的适用期有所延长。并通过添加聚氧化烷基多胺的方法来改善涂膜偏脆的问题。若该水性环氧固化剂要具有乳化环氧树脂的功能则需通过在固化剂分子链中引入氧化烷基链段或离子基团来获得。本公司合成的水性环氧固化剂GCA01属于典型的多胺-环氧加成改性固化剂, 可用水进行稀释，稀释过程中不会出现类似于水性聚酰胺固化剂稀释时由于胶束的形成和聚酰胺与水之间的氢键作用产生的“水峰”现象。并且固化剂分子中含有表面活性链段，能将低分子量环氧树脂直接乳化，其性能见表1。
表1 水性环氧固化剂GCA01的性能
检测项目 检测结果
外观 黄色液体
粘度（25℃）/ mpa.s 1500-4500
固含量 / % 45-47
密度（25℃）/ g.cm-1 1.05-1.10
稀释剂* 水和丙二醇甲醚
闪点 /℃ >100
胺氢当量 /g.eq-1 290-295
*注：该水性环氧固化剂中含有少量的丙二醇甲醚以保证室温下成膜，尽管含有溶剂，但其闪点仍高于100℃。
2.3 颜填料
水性环氧地坪涂料的着色宜选用那些耐化学药品性能和耐候性较好的无机颜料或其水性色浆。水性环氧地坪涂料配制时填料的选择原则是采用低吸油量、细度适中、性能稳定的填料。当然，考虑到水性环氧固化剂呈弱碱性，应避免采用酸性的颜填料。水性环氧地坪涂料是双组分涂料，颜填料既可加到环氧树脂组分中，也可以加在水性环氧固化剂组分中。
填料的用量（用颜基比来表示）对水性环氧地坪涂料的最终性能影响很大，适量的加入不仅能降低水性环氧地坪涂料的成本，缩短涂膜表干时间，还可以提高涂膜的机械强度、耐磨性、光泽和遮盖力，减少涂料固化时的体积收缩，并赋予涂料良好的贮存稳定性；但过量加入则会增加水性涂料的粘度，导致涂料的流平性变差，施工困难，涂膜的表面效果变差。
2.4 助剂
对于水性环氧地坪涂料，颜填料既可在环氧树脂组分中分散，也可以在水性环氧固化剂组分或在两个组分中同时分散。颜填料在环氧树脂组分中分散会受到环氧树脂粘度的限制，颜填料的用量不能加的太多，分散效率较低，为避免产生浮色和发花现象，通常需加入分散剂来防止颜料的絮凝，从而克服因颜填料絮凝引起的浮色和发花，但选用的分散剂应为油水两用型分散剂。因而我们建议配漆不在环氧树脂组分中进行，而选择在水性环氧固化剂组分中进行，具有乳化环氧树脂功能的固化剂其分子中含有表面活性链段，能润湿颜填料，有一定的润湿分散作用，可以不加分散剂就直接进行配漆。
因为水的表面张力较高，对底材的润湿性较差，特别是有油脂残余的表面更难以润湿，这时应加入润湿流平剂来提高其润湿性，同时也改善了涂料的流平性。但在水性环氧固化剂组分中配漆会因为胺固化剂的存在，降低了表面张力而容易存在夹带空气的问题，水性环氧地坪涂料的配制和施工也不可避免的会带入空气，同时加入润湿流平剂之类的表面活性剂也很容易造成泡沫，因此，配漆时要加入抑泡剂和消泡剂，通常在分散前加入抑泡剂来减少形成泡沫的可能，分散后再加入消泡剂来消除混入的气体，这样才能使水性环氧地坪涂料在涂装时形成光滑平整的表面。此外, 还可以加入增稠剂来调节固化剂色漆的粘度，使得两个组分的粘度相差不大，便于混合乳化。
2.5 共溶剂
双组分水性环氧涂料是一种乳液型涂料，两组分混合后，水性环氧固化剂分子首先和环氧树脂分散相的表面接触发生固化反应，随着固化反应的进行，环氧树脂分散相的分子量和玻璃化温度逐渐提高，使得固化剂分子向环氧树脂分散相粒子内部的扩散速度逐渐变慢，这就意味着环氧树脂分散相粒子内部进行的固化反应较表面的少，内部交联密度也较低。同时随着固化反应的进行，环氧树脂分散相粒子逐渐变硬，粒子之间也很难相互作用而凝结成膜。
共溶剂（又叫成膜助剂）通常是挥发很慢的溶剂，如各类醇醚、醇醚醋酸酯和醇酯等，特别是那些对环境不会产生污染的溶剂（如丙二醇甲醚等），加入后可使水性环氧地坪涂料的最低成膜温度逐渐降低，有利于固化凝结成膜。同时共溶剂还能调节涂料体系的粘度，改善水性环氧地坪涂料的流平性和最终涂膜的外观。良好的共溶剂通常需满足以下条件：良好的水解稳定性；低的凝固点；适中的挥发率；高效的凝结效率。在一般情况下，共溶剂的添加量按基料的1-5%左右考虑，在温度较低的季节施工，共溶剂的加入量可适当增加以得到更好的涂膜效果。
2.6 环氧基与胺氢当量比
研究发现环氧树脂和水性环氧固化剂的使用比例（用环氧基与胺氢当量比来表示）对水性环氧地坪涂料的性能有很大的影响[1]，水性环氧地坪涂料的性能可通过调节当量比来改变，一般当量比可作百分之二十的增减，表2总结了环氧基与胺氢当量比对水性环氧地坪涂料性能的影响。具体的当量比因应用场合不同而异，环氧基过量可使水性环氧地坪涂料的适用期延长，涂膜的耐水性、耐化学药品性能以及耐湿性等性能有所提高；而胺氢过量又可加快涂膜的固化，涂膜的光泽度、附着力、耐磨性和耐溶剂性也相应改善。
表2 环氧基与胺氢当量比对水性环氧地坪涂料性能的影响
胺氢过量 环氧基过量
光泽度好 耐腐蚀性好
固化快 适用期长
附着力强 耐水性好
耐磨性好 耐碱性好
耐溶剂性好 耐湿性好
耐污性好 耐酸性好
3 水性环氧地坪涂料的配方实例和性能
该水性环氧地坪涂料由低分子量液体环氧树脂（组分一）和水性环氧固化剂色漆（组分二）组成，采用水性环氧固化剂色漆来乳化低分子量液体环氧树脂，配漆则选择在固化剂组分中进行，这一点与常规的溶剂型环氧地坪涂料的配制不同（在环氧树脂溶液组分中配制）。
水性环氧地坪涂料参考配方如下：
原料名称 质量，g
组分一
环氧树脂DDR331 90-95
共溶剂 1-5
组分二
水性环氧固化剂GCA01 20-25
水 40-50
抑泡剂 0.1
钛白粉 5-10
颜填料 145-175
水性环氧固化剂GCA01 115-125
增稠剂 1-2
消泡剂 0.3-0.5
水性环氧地坪涂料的配制工艺为
（1）将水性环氧固化剂GCA01、水和少量抑泡剂加到料筒中，搅拌直至水性环氧固化剂GCA01溶解均匀；
（2）在中速下加入钛白粉和各种颜填料，先高速分散10min，然后进行砂磨，直到细度小于50um为止；
（3）过滤后在中速下缓慢加入水性环氧固化剂GCA01，加完后再搅拌15min；
（4）用增稠剂调节色漆粘度，并在低速下加入消泡剂，搅拌5min后进行包装。
表3为水性环氧固化剂GCA01和环氧树脂DER331配制的水性环氧地坪涂料的性能。
表3水性环氧地坪涂料的主要技术参数
序号 检验项目 技术要求 检验结果 测试方法
1 干燥时间，h 表≤4 实≤24 表：3 实：24 GB/T1728-1989
2 硬度 ≥H 2H GB/T6739-1996
3 附着力，级 ≤2 1 GB/T1720-1989
4 柔韧性，mm ≤2 2 GB/T1731-1993
5 耐磨性，750g/500r ≤0.04 0.025 GB/T1768-1989
6 耐冲击性，Kg.cm ≥30 40 GB/T1732-1993
7 耐水性 96h无异常 无异常 GB/T1733-1993
8 耐碱性（10％NaOH溶液） 96h无异常 无异常 GB/T1763-1989
9 耐盐水性 48h无异常 无异常 GB/T1763-1989
10 光泽度 ≥60 75 GB/T
4水性环氧地坪涂料的施工
下文就平涂型水性环氧地坪涂料的施工方法做简要的施工介绍。
4.1 施工准备
（1）材料：水性环氧地坪涂料底涂、中涂、面涂，石英砂，石英粉等相关材料。
（2）工具：基材打磨工具、吸尘器、批补刮刀、辊筒、小型搅拌器等。
（3）施工条件
a、将地面水泥砂浆剔凿并清扫干净，地面如有油脂类杂质，须用溶剂擦拭干净；
b、原水泥地面要求坚硬、平整、不起砂，地面如有空鼓、脱皮、起砂、裂痕等，必须按要求处理后方可施工。原地面如为水磨石、地板砖等光滑地面．须先凿成粗糙面；
c、只要不积水，或不明显渗漏就可施工，施工时现场条件相对湿度应低于85％，环境温度在10℃以上。
4.2 施工步骤
（1）底涂：将混凝土基材处理完毕并清理干净后就可进行底涂（辊涂或刷涂），辊涂或刷涂应均匀，厚薄一致，该底涂具有一定的透水气功能，能增强基材强度并增加涂层对基材的附着力。
（2）中涂：在已配好的水性环氧涂料（中涂）中加入石英砂和石英粉配成水性环氧砂浆，用镘刀将其均匀涂布，用于增加厚度及涂层抗压强度；
（3）批补：中涂后用砂纸将地坪打磨，并用水性环氧涂料（中涂）与石英粉配成的腻子依实际需要施工数道，要求达到平整无孔洞，无批刀印及砂磨印为准；
（4）面涂：用辊筒将水性环氧地坪涂料面涂辊二道，完工后要求整体地面光泽柔和、洁净、颜色均一、无空鼓；
（5）养护：面层实干需要24小时，在这期间应进行封闭，以免影响表面洁净光滑的效果。3天后方可上人，完工保养7天后方可正式投入使用（以25℃为准，低温时开放时间需适度延长）。
5 结语
环氧地坪涂料具有与溶剂型环氧地坪涂料相当的性能，现有的水性环氧地坪涂料可以应用在制药、食品、医院、纺织、化工、电子等行业的生产厂房、办公楼、仓库、实验室的地坪涂装[5]，特别适用于一楼地面、地下室、地下停车场和其它较为潮湿的环境。作为绿色环保产品，水性环氧地坪必然得到人们的认可和广泛使用。
参考文献
[1]陈铤，施雪珍等.双组分水性环氧树脂涂料.高分子通报，2002，6：63－70.
[2] Kojima S, Watanabe Y.Development of High Performance, Waterborne Coatings. Part I: Emulsification of Epoxy Resin.J Polym Eng Sci, 1993, 33(5)：253-259.
[3] 张黎,舒武炳.水性环氧树脂体系的研究进展.涂料工业，2002，32（8）：28-30.
[4] Wegmann A. Novel Waterborne Epoxy Resin Emulsion. J Coating Technol, 1993, 65（827）：27-34.
[5]周天寿，沈志明等.水性环氧及其在建筑中的应用.新型建筑材料，2001，(5):16-18.
