不同颜料对环氧树脂胶泥耐候性的影响研究

不同颜料对环氧树脂胶泥耐候性的影响研究

1. 引言

环氧树脂胶泥作为一种以环氧树脂为基体、加入固化剂及功能性填料制备而成的高性能复合修补材料，因其具有优异的粘接强度、耐化学品腐蚀性及施工便利性，在建筑工程、桥梁隧道修复、水利水电设施维护及化工设备防腐等众多领域得到了广泛应用。然而，在户外实际使用环境中，环氧树脂胶泥不可避免地长期暴露于太阳紫外线辐射、昼夜温差循环、雨水冲刷、湿气侵蚀以及大气污染物等多重气候因素的综合作用下，其分子结构中的环氧基团和芳香醚键易发生光氧化降解反应，导致胶泥表面出现粉化、变色、龟裂乃至力学性能显著下降等老化现象，最终影响结构服役寿命与工程安全。因此，耐候性能已成为评价环氧树脂胶泥户外适用性的核心性能指标之一。

颜料是环氧树脂胶泥中不可或缺的组分，其首要功能是赋予胶泥所需的色彩外观以满足工程标识或装饰需求。但更为重要的是，不同颜料在紫外吸收能力、光催化活性、自身耐光性以及与树脂基体相容性等方面存在显著差异，这些差异将直接影响环氧树脂基体在紫外辐射下的光氧化降解速率，进而改变胶泥的整体耐候性能。当前工程实践中，工程技术人员往往仅依据颜色美观要求选择颜料，而忽视了颜料类型对胶泥长期耐候性的潜在影响，由此引发的早期失效问题屡见不鲜。因此，系统开展不同颜料对环氧树脂胶泥耐候性影响的对比研究，对于优化户外用环氧树脂胶泥设计、延长其服役寿命具有重要的理论意义与工程应用价值。

2. 实验部分

2.1 主要原材料

实验采用E-51型双酚A环氧树脂（环氧值为0.51 mol/100g）作为成膜基体，选用聚酰胺类固化剂（胺值400 mgKOH/g）作为交联剂，石英粉（400目）作为惰性填充骨料，颜料分别选用金红石型钛（TiO₂）、氧化铁红（Fe₂O₃）、氧化铁黄（FeOOH）、炭黑（C）、酞菁蓝（CuPc）、云母氧化铁（MIO）共六种典型颜料，以及不含颜料的空白对照组。所有颜料添加量均为环氧树脂质量分数的5%，以确保试验条件的一致性。

2.2 试样制备

按照设计将环氧树脂与颜料、石英粉在高速分散机中预混30分钟，随后加入聚酰胺固化剂（树脂与固化剂质量比100:40），继续搅拌10分钟使其均匀分散。将混合均匀的胶泥体系注入标准模具中，在25℃条件下养护24小时，再于60℃条件下后固化6小时，脱模后制备成标准哑铃状拉伸试样、弯曲试样和冲击试样。每组制备不少于5个平行试样，以保证试验数据的可靠性。

2.3 人工加速老化试验

老化试验依据GB/T 16422.3-2014标准，采用QUV/Spray型紫外老化试验箱进行。试验条件为：UVB-313型荧光紫外灯管，辐照强度0.89 W/(m²·nm)，黑板温度（60±3）℃，冷凝温度（50±3）℃，每60分钟交替进行紫外辐照与冷凝循环，连续老化时间500小时。

2.4 性能测试方法

色差变化采用便携式色差仪按CIE L*a*b*色空间测定，以未老化试样为基准，计算老化后试样的总色差ΔE值。表面光泽度采用60°镜面光泽度计测定。拉伸强度依据GB/T 1040标准测试，弯曲强度依据GB/T 9341标准测试，冲击强度依据GB/T 1043标准测试。所有力学性能均以老化后保持率（老化后测试值与老化前初始值的百分比）形式表征，以消除试样制备差异带来的系统误差。

3. 结果与分析

3.1 不同颜料对环氧树脂胶泥外观耐候性的影响

经过500小时紫外加速老化循环后，各组环氧树脂胶泥试样的表面色差变化（ΔE）与60°光泽保持率测试结果汇总于表1。色差变化ΔE值越小，表明胶泥颜色稳定性越好；光泽保持率越高，表明胶泥表面降解程度越轻。

表1 不同颜料环氧树脂胶泥老化500h后的外观性能变化

颜料类型	色差变化 ΔE	光泽保持率 /%	表面状态描述
空白对照组	12.8	62.5	明显粉化、龟裂
钛	6.2	81.3	轻微粉化
氧化铁红	4.5	86.7	表面基本完好
氧化铁黄	5.8	78.9	轻微失光
炭黑	3.1	91.2	表面完好如初
酞菁蓝	7.6	70.4	明显变色、失光
云母氧化铁	5.2	84.6	表面基本完好

由表1可见，空白对照组试样的ΔE值高达12.8，光泽保持率仅62.5%，表面出现明显粉化和龟裂，表明未添加颜料的环氧树脂基体在紫外辐照下发生了严重的光氧化降解。相比之下，添加炭黑的试样表现最优，ΔE仅为3.1，光泽保持率高达91.2%，表面基本无肉眼可见的劣化痕迹。氧化铁红和云母氧化铁同样展现出优异的耐候性保护效果，ΔE值分别为4.5和5.2，光泽保持率分别为86.7%和84.6%。钛和氧化铁黄的效果居中，而酞菁蓝的耐候性保护效果最差，ΔE为7.6，光泽保持率仅70.4%，且出现了明显的变色现象，这与其自身在紫外辐射下易发生光致降切相关。

3.2 不同颜料对环氧树脂胶泥力学性能耐候性的影响

表2呈现了各组试样在500小时老化前后的拉伸强度、弯曲强度及冲击强度保持率数据。力学性能保持率越高，说明胶泥内部结构在老化过程中受到的损伤越轻，即耐候性越好。

表2 不同颜料环氧树脂胶泥老化500h后的力学性能保持率

颜料类型	拉伸强度保持率 /%	弯曲强度保持率 /%	冲击强度保持率 /%
空白对照组	58.3	54.7	52.1
钛	76.5	72.8	70.3
氧化铁红	82.4	78.6	75.9
氧化铁黄	74.2	70.5	68.7
炭黑	88.6	85.3	82.1
酞菁蓝	65.8	61.2	58.9
云母氧化铁	80.1	76.4	73.8

从表2数据可以看出，不同颜料对环氧树脂胶泥力学性能保持率的影响规律与外观性能变化趋势高度一致。空白组试样的拉伸强度保持率仅58.3%，说明基体树脂发生了严重的分子链断裂和交联网络破坏。炭黑组以88.6%的拉伸强度保持率、85.3%的弯曲强度保持率和82.1%的冲击强度保持率位列第一，充分验证了炭黑对环氧基体的高效紫外屏蔽保护作用。氧化铁红和云母氧化铁紧随其后，其拉伸强度保持率分别为82.4%和80.1%。酞菁蓝组力学性能保持率最低（拉伸强度保持率65.8%），仅略优于空白组，表明酞菁蓝不仅未能有效保护树脂基体，其光降解产物还可能对环氧网络造成额外的破坏效应。

4. 讨论

4.1 颜料影响环氧树脂胶泥耐候性的机理分析

综合上述实验结果，不同颜料对环氧树脂胶泥耐候性的影响可归纳为以下四种作用机制：

（1）紫外线屏蔽机制。炭黑和氧化铁红具有较强的紫外吸收或反射能力，能有效阻挡紫外线进入树脂基体内部，从而抑制环氧树脂的光氧化降解反应。炭黑作为一种半导体材料，其能带间隙较小，可在宽波长范围内吸收紫外线，并将吸收的光能转化为热能以热能形式耗散；氧化铁红则在可见光-紫外区域具有高折射率，通过反射方式将大部分入射紫外线反射回空气中。

（2）光催化活性机制。金红石型钛虽然具有优异的紫外屏蔽能力，但其在紫外激发下可产生电子-空穴对，表面生成具有强氧化性的自由基（如·OH和O₂⁻），这些活性物种会攻击环氧树脂分子链，加速光氧化降解过程。因此，钛的耐候性保护效果虽优于空白组，但逊于炭黑和氧化铁红等惰性颜料。

（3）颜料自身耐光性机制。酞菁蓝分子结构中的大π共轭体系在紫外辐射下易发生开环降解反应，导致颜料自身褪色和分解，其降解产物还可能对环氧基体产生敏化作用，加速基体老化。这解释了酞菁蓝组耐候性最差的实验现象。

（4）物理阻隔与致密化机制。云母氧化铁呈片状结构，在树脂基体中可形成平行排列的层状物理屏障，显著延长氧和水分子向基体内部扩散的路径，从而降低光氧化反应速率，展现出优异的耐候性保护效果。

4.2 颜料选择与优化建议

基于本研究的实验结果，对于户外长期暴露环境下的环氧树脂胶泥应用，建议优先选用炭黑或氧化铁红作为耐候性颜料，其中炭黑适用于深色产品，氧化铁红适用于红色系产品。若工程需要其他颜色外观，可采用云母氧化铁或钛与耐候性有机颜料复配使用的方式，在满足色彩需求的同时最大程度地保持胶泥的耐候性能。此外，在设计过程中，还应综合考虑颜料的添加量、分散工艺及与固化体系的匹配性，以确保颜料在树脂基体中达到最佳分散状态，充分发挥其耐候性保护功能。

5. 结论

（1）不同颜料对环氧树脂胶泥耐候性的影响存在显著差异，颜料类型是决定胶泥耐候性能的关键因素之一。

（2）炭黑和氧化铁红对环氧树脂胶泥的耐候性保护效果最优。老化500h后，炭黑组色差变化仅3.1，光泽保持率91.2%，拉伸强度保持率88.6%；氧化铁红组色差变化4.5，光泽保持率86.7%，拉伸强度保持率82.4%，均显著优于空白对照组。

（3）酞菁蓝颜料在紫外辐射下自身易发生光降解，对环氧树脂基体不仅没有保护作用，反而可能加速基体老化，因而不推荐用于户外长期暴露环境的环氧树脂胶泥。

（4）云母氧化铁和钛具有一定的耐候性保护效果，但分别受限于片状结构的物理阻隔效果和光催化活性，其保护作用介于炭黑/氧化铁红与酞菁蓝之间。

（5）在户外应用中，建议根据不同颜色需求优选炭黑、氧化铁红、云母氧化铁等耐候性颜料，并合理搭配耐候性有机颜料进行复配，以实现环氧树脂胶泥色彩与耐候性的协同优化。