新型CNSL基环氧固化剂-适用于零VOC地坪涂料和水下固化应用

作者 Hong Xu博士，技术服务经理，Cardolite公司，宾夕法尼亚州，Bristol

混凝土涂料的挑战

混凝土是一种成本效益高、易于处理的材料，具有高抗压强度、优异的耐久性和良好的耐火性等性能。 1 因此，混凝土通常是大型基础设施（如大坝、桥梁和道路）以及住宅和商业建筑、车库和地下室地坪的首选建筑材料。然而，由于其多孔结构，水、蒸汽和化学物质很容易渗透并侵蚀混凝土。此外，混凝土的低抗拉强度和刚性使其容易出现随时间推移而产生的裂缝和蠕变等现象。

涂层体系对于保护和延长混凝土基材的使用寿命是非常必要的，尤其是在恶劣的环境中；涂层体系还可以为混凝土建筑和地坪提供所需的美学饰面效果。地坪涂料是混凝土涂料的主要组成部分，常采用不同类型的涂料技术，如丙烯酸、环氧和聚氨酯等，以满足日益增长的高性能要求。近年来，越来越严格的法规和健康与环境问题，特别是室内地坪应用，推动了对新型低挥发性和零挥发性有机化合物（VOC）涂料体系的需求，这些体系最好具有较高的生物基含量，并可以提供更安全的标签。

何谓CNSL技术？

30多年来，腰果壳液（CNSL）技术已广泛应用于涂料行业，作为环氧固化剂、环氧稀释剂、酚醛树脂和多元醇的初始材料。CNSL是一种每年可再生的非食物链的生物材料，可作为腰果生产的副产品获得。 2 CNSL包含在腰果果壳的蜂窝结构中（图1），主要由60-70%的腰果酸、10-20%的腰果二酚、3-10%的腰果酚和2-5%的2-甲基腰果酚组成。

腰果酚是通过脱羧和蒸馏从CNSL中提取的主要成分。 3 �腰果酚的平均化学结构（图2）显示了一个酚环和一个由一个、两个和三个双键组成的长脂肪族侧链。芳香环提供耐热性和耐化学性，而侧链则提供了疏水性、柔韧性，并降低表面张力。此外，酚羟基可以增加对表面的附着力，并加速环氧胺反应。 5 基于CNSL的固化剂继承了这些独特的性能，并使高性能环氧树脂体系适用于保护涂层和地坪涂层。

表1列出了基于CNSL的无溶剂（SF）环氧固化剂NX-5454、NX-5653和NX-6654的典型性能。可以看出，这三种固化剂都具有较高的生物含量（>60%）和较低的粘度，且均不含任何溶剂或苯甲醇。NX-5653和NX-6654不含任何苯酚，该物质被视为有害，在某些应用中不允许使用。此外，NX-5653和NX-6654的广泛使用降低了因在施工现场混合不当而导致的失效风险，并为涂料生茶商提供了更大的配方自由度。

本文将展示这三种基于CNSL的SF环氧固化剂如何在具有挑战性的固化条件下，为地坪涂层体系提供理想的性能。本研究中强调的一些性能结果包括低温下的快速固化、优异的抗发白性和早期耐水性，以及对潮湿和/或受侵蚀混凝土基材的极好附着力。

快速恢复服务

在大多数情况下，资产所有者希望尽量减少地坪涂层应用所需的资产关闭时间。CNSL基环氧固化剂可以为地坪涂层体系带来的一个重要好处，便是快速固化，尤其是在低温下的快速固化。腰果酚中的酚-OH基团是环氧-胺反应的促进剂，长的脂肪族侧链提供了良好的分子流动性，有助于在低温下固化。从图3可以看出，NX-5454、NX-5653和NX-6654在25°C固化条件下可提供3小时不到的实干时间。在5°C和0°C固化条件下，这些环氧底漆可以在不需要外部促进剂的情况下达到小于19小时的实干时间，这比许多市售环氧底漆要快。

此外，快速固化特性还具有快速的重涂性。例如，上述三种底漆，在室温（RT）下固化5小时，以及在10°C和70%相对湿度下固化24小时后，都成功地用基于Ultra LITE 2009固化剂的环氧面漆进行了涂覆。面漆固化7天后，进行了拉拔附着力测试。表2中列出的测试结果表明，无论固化时间短，还是固化温度低，所有三种CNSL基环氧树脂体系都具有较好的附着力，高于850 psi；混凝土附着失效实验也表明，这些底漆对混凝土基材和面漆层都具有较好的附着力。

对恶劣环境的高耐受性

由于施工现场的天气条件不受控制，环氧地坪涂料通常会出现发白和水渍现象。然而，由于聚合物结构中的疏水脂肪族侧链，CNSL基环氧底漆受恶劣环境的影响就比较小。例如，基于NX-5454、NX-5653和NX-6654的三种底漆在低温和高湿度条件下（10°C和92%相对湿度）固化时，它们的漆膜仍然显示出高光泽，没有任何发白或发花问题。此外，我们在相同的底漆上进行了早期耐水性试验，方法是每小时在底漆漆膜上滴上一个水滴，同时将温度保持在25°C。图4显示了试验后的样板效果。结果表明，基于NX-5454、NX-5653和NX-6654的体系分别在固化3小时、5小时和4小时后，无水渍。基于CNSL的环氧固化剂具有优异的抗发白性和早期耐水性，表明其快速固化和疏水性可以保护地坪涂料免受恶劣应用环境的破坏。

对预制差的混凝土有极好的附着力

地板涂料面临的最大挑战之一是确保与条件较差的混凝土地坪之间具有好的附着力。例如，地下室混凝土地面通常会遭受来自地下持续的水和水分侵蚀；车库、维修室或化学品仓库的地面往往会受到各种油和化学品的污染。混凝土的多孔性使水分和污染物容易渗透，从而损害涂层和混凝土地坪之间的附着力。为了最大限度地减少附着失效，应深度清洁旧混凝土，以清除任何表面污染物，并且在涂底漆之前，在潮湿的混凝土地板上涂覆一层密封层。这些步骤增加了成本和地坪的施工时间。基于CNSL的固化剂则可以降低成本，并可能通过移除这些额外的步骤，使地坪快速恢复使用。长的脂肪族侧链有助于降低粘度和增加涂层的润湿性，而酚醛-OH提供了锚定位置，从而提高了附着力。

作为例子，我们将NX-5454、NX-5653和NX-6654体系用于干湿混凝土基材上。通过将混凝土完全浸入自来水中超过24小时，然后在试验期间保持半浸，制备了湿混凝土。表3列出了NX-5454、NX-5653和NX-6654底漆在干混凝土和湿混凝土基材上的拉拔附着力数据。可以看出，在这两种条件下，CNSL基环氧底漆对混凝土基材表现出了优异的附着力。此外，湿混凝土的拉拔附着力较低是由于混凝土内在粘结的失效造成，这表明长期暴露在水和湿气中确实会降低混凝土的强度，但不会削弱底漆和混凝土表面之间的附着力。

此外，还研究了CNSL基底漆在受机油污染的混凝土基材上的附着性能。将两种不同类型的发动机机油SAE 15W-40和SAE 5W-20浇在混凝土表面上，然后用纸巾涂抹均匀。当发动机机油被混凝土完全吸收后，就在机油污染的表面涂覆上基于CNSL的底漆。环氧底漆在15°C下固化6天后进行拉拔附着力测试。表4中列出的结果证实，基于CNSL的环氧底漆即使在受机油污染的混凝土基材上，也具有较好的附着力（>700 psi）。

水下的固化表现

除了地坪涂料，CNSL基环氧固化剂还可以在特殊混凝土应用中提供所需的性能，例如需要水下固化的涂料（如桥梁桩）。下面的视频展示了，在完全浸入15°C自来水中的混凝土表面涂覆两种环氧树脂体系的情况。体系基于NX-5653（左图）和NX-6654（右图），与标准液体环氧树脂、常见填料（二氧化硅、滑石和硅灰石）以及基于CNSL的非反应性稀释剂相结合，以降低粘度。在15°C下仅固化18小时后，使用凿子检查涂层体系与混凝土之间的附着力。可以观察到，凿子无法损坏或凿下涂层。这表明这两种环氧树脂体系在水下固化较好。此外，将混凝土块从水中取出并在室温下干燥三天后，混凝土与NX-5653和NX-6654涂层之间的拉拔附着力分别达到804 psi和689 psi，涂层附着力未失效（表5）。

这些结果表明，NX-5653和NX-6654体系可以在水下正确固化，并对混凝土表面有较好的附着力。同样，NX-5454也表现出类似的较好的水下固化性能。

在15˚C水中对CNSL基环氧底漆进行水下固化。

结论

总之，新型、高生物含量、基于CNSL的环氧固化剂可以帮助配方制定者实现零VOC的地板涂料，同时还能提供出色的性能，例如，对预制差的混凝土的优异附着力、较好的耐水性和快速恢复使用等。此外，这些固化剂也适用于需要在水下固化的特殊应用。

致谢

作者感谢Cardolite公司的研发化学家Emre Kinaci博士（美国宾夕法尼亚州Bristol）、Xiaoping Ding和Chuang Zeng（中国广东珠海）为新产品开发所做出的贡献。

了解更多信息，请访问https://www.cardolite.com/。

参考资料

1 "What is the development impact of concrete?" Cement Trust. 24 October 2010. Archived from the original on 17 Septem-ber 2012. Retrieved 10 January 2013.
2 Lomonaco, D.; Mele, G.; Mazzetto, S.E. Cashew Nutshell Liquid (CNSL): From An Agro-Industrial Waste to a Sustainable Alternative to Petrochemical Resources, Springer International Publishing AG 2017, P. Anilkumar (ed.), Cashew Nut Shell Liquid.
3 Gedam, P.H.; Sampathkumaran, P.S. Cashew Nut Shell Liquid: Extraction, Chemistry and Applications. Prog Org Coat,(1986) 14:115-157.
4 Gaba, E. Wikimedia Commons user: Sting https://com-mons.wikimedia.org/wiki/File:Cashew_Brazil_fruit_3.png accessed: Nov 8, 2015 https://commons.wikimedia.org/wiki/File:-Cashew_Brazil_nut_cut.jpg accessed: Nov 8, 2015.
5 Dai, Z.; Constantinescu, A.; Dalal, A.; Ford, C. Phenalka-mine Multipurpose Epoxy Resin Curing Agents, Cardolite Corpora-tion, Newark, NJ, reprinted from EPI-ERF Conference, Sept. 1994.

本文收录在《PCI中文版》杂志2022年5月刊中