CN113804590A - 一种基于表面能理论的标线涂料粘附性测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于液体物理化学性质测量技术领域，尤其涉及一种基于表面能理论的标线涂料粘附性测试方法，包括如下步骤：(1)选取三种已知表面能参数的溶液作为探针溶液，测量三种溶液液滴与标线涂料、沥青混合料表面形成的接触角；(2)将接触角测量结果带入Young式方程中，算得到涂料表面能及沥青混合料表面能参数；(3)将测得的涂料以及混合料表面能分量值计算涂料与沥青混合料界面之间的粘附功。本发明以表面自由能理论为依据，从粘附性的角度出发，采用接触角测定涂料以及沥青混合料的表面参数，提供了一种精确评价涂料与沥青混合料表面粘附性能的定量分析方法，能够更加准确、有效地评价热熔型标线涂料的黏度性能。

Description

一种基于表面能理论的标线涂料粘附性测试方法
技术领域
本发明属于液体物理化学性质测量技术领域，尤其涉及一种基于表面能理论的标线涂料粘附性测试方法。
背景技术
随着国民经济的迅速发展，交通运输量逐日增加，但交通事故也随之日益增多。造成事故的原因很多，但交通道路标线能见度差是重要原因之一。因此，为了强化交通管制，减少事故，交通部要求高速公路、国道上都要划上醒目的路面标线，实现快慢车道分道行驶。因此，生产出质量高、认知性好的路面标线涂料便显得尤为重要。根据涂料种类的不同，路面标线涂料主要分为溶剂型、热熔型、双组份和水性涂料，目前我国的路用使用最多、用量最大的主要是热熔型和双组份标线涂料。热熔型标线涂料主要是由石油树脂作为成膜物质，石油树脂在高温下熔融后将涂料中的填料充分包裹，之后与路面等基材进行粘附，石油树脂与基材的粘附力可以间接地反映出涂料整体的粘附性以及使用寿命。双组份标线涂料施工方便，使用时基料与固化剂按比例混合，经化学交联反应干燥，形成的漆膜坚硬，与地面及玻璃珠、雨夜反光珠具有良好的附着力，干燥快，耐磨，耐水，耐酸碱，耐候性好，适合于各种气候条件下，普遍用于水泥路面及沥青路面做长效标线使用。
现有技术中，对涂料的性能分析方法主要包括：磨耗、抗压、色度性能等常规的性能分析方法，目前使用较多的粘附性评价方法包括：胶轮磨耗试验、拉拔试验等，然而这些粘附性评价方法具有误差较大、易受主观因素影响等缺点。目前，利用表面能对标线涂料的粘附性能的研究方法还未出现。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的常用测试手段不能定量分析涂料粘附性的问题，本发明提供了一种基于表面能理论的标线涂料粘附性测试方法，固液界面的张力在科学研究及工程应用中都具有重要的意义，采用接触角可以对涂料及沥青混合料进行表面能的测量，通过测试液体在涂料以及沥青混合料表面形成的接触角，可以对涂料的粘附性进行微观的性能评价。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明以表面自由能理论为依据：沥青与集料之间的粘附性主要依靠沥青润湿集料表面的能力，根据表面物理化学理论表明：液固界面的粘附能可由分子间相互作用产生的粘附功来评价，主要考虑范德华力和Lewis酸、碱作用力，忽略分子间其他较小的作用力，以此来分别计算涂料和沥青混合料的表面能。涂料和沥青混合料的粘附功表达式为：
Figure BDA0003293813000000021
式中：W12为涂料—沥青混合料的粘附功，mJ·m-2；上标d，p分别表示范德华力及Lewis酸、碱作用力。
采用光学电子接触角测定仪中的“座滴法”测试液体在涂料以及混合料表面形成的接触角，“座滴法”是测量接触角最常用的方法，其基本假设如下：
(1)液滴从各个方向看都是对称且相同的；
(2)液滴的形状仅与界面张力和液滴的重力有关。
基于上述理论依据，本发明公开了一种基于表面能的标线涂料的粘附性测试方法，包括如下步骤：
(1)采用三种已知表面能参数的溶液与平整洁净涂料以及混合料表面进行接触角采集。试验时，通过对三种探针液滴在涂料以及混合料表面形成的液滴图像进行采集，系统软件对接触角值进行测量。
(2)测量三种溶液液滴与涂料以及混合料的接触角并带入Young-Dupre方程式(b)中得到三组方程，通过解方程(b)、(c)可以反算得到涂料表面能及沥青混合料表面能参数：γLW：范德华分量；γ+：酸性分量；γ-：碱性分量。
Figure BDA0003293813000000022
Figure BDA0003293813000000023
式中：θ为探针溶液与材料之间的接触角；S为涂料或沥青混合料；L为探针溶液；γd为色散分量；γp为极性分量；γLW为范德华分量；γ+为酸性分量；γ-为碱性分量。
(3)将测得的涂料以及混合料表面能分量值带入式(d)中，可计算涂料与沥青混合料界面之间的粘附功。
Figure BDA0003293813000000031
进一步的，测试温度为室温25℃，每种液体的接触角均为至少5次实验的平均值。
进一步的，所选用的3种液体应不与沥青混合料或涂料发生物理或化学反应。
进一步的，所选用沥青混合料为SMA型、AC型、OGFC型沥青混合料，并经过切割以保证整体的平整性。
进一步的，所述的标线涂料可为热熔型、溶剂型、双组份型、水性涂料的任意一种。
进一步的，所述光学电子接触角测定仪器为德国KRUSS公司生产的DSA型接触角测量仪，通过接触角测量仪内置软件可直接测量出角度。此外，通过量高法、量角法等方法测试出的角度同样可根据本发明所述的计算方法计算粘附功。
有益效果
本发明公开了一种基于表面能理论的标线涂料粘附性测试方法，本发明以表面自由能理论为依据，从粘附性的角度出发，采用接触角，测定涂料以及沥青混合料的表面参数，提供了一种精确评价涂料与沥青混合料表面粘附性能的定量分析方法。本发明所述的方法消除了目前使用较多的胶轮磨耗试验、拉拔试验等粘附性评价方法所带来的误差较大、易受主观因数影响等方面的不利因素，能够更加准确、有效地评价热熔型标线涂料的黏度性能，能为试验室检测热熔型标线涂料的性能提供准确的数据支持。
附图说明
图1为液滴成像原理示意图，其中(a)θ＜90°；(b)θ＞90°。
具体实施方式
以下，将详细地描述本发明。在进行描述之前，应当理解的是，在本说明书和所附的权利要求书中使用的术语不应解释为限制于一般含义和字典含义，而应当在允许发明人适当定义术语以进行最佳解释的原则的基础上，根据与本发明的技术方面相应的含义和概念进行解释。因此，这里提出的描述仅仅是出于举例说明目的的优选实例，并非意图限制本发明的范围，从而应当理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以由其获得其他等价方式或改进方式。
以下实施例仅是作为本发明的实施方案的例子列举，并不对本发明构成任何限制，本领域技术人员可以理解在不偏离本发明的实质和构思的范围内的修改均落入本发明的保护范围。除非特别说明，以下实施例中使用的试剂和仪器均为市售可得产品。
实施例1
使用一种市售的热熔型标线涂料和SMA-13沥青混合料制备试样。
使用去离子水、丙三醇以及二碘甲烷作为测定接触角的探针溶液，测定这三种试剂在试样表面的接触角，将接触角测定结果带入Young-Dupre方程式(b)中得到三组方程，通过解方程(b)、(c)可以反算得到涂料表面能及沥青混合料表面能参数：γLW：范德华分量；γ+：酸性分量；γ-：碱性分量。
Figure BDA0003293813000000041
Figure BDA0003293813000000042
式中：θ为探针溶液与材料之间的接触角；S为涂料或沥青混合料；L为探针溶液；γd为色散分量；γp为极性分量；γLW为范德华分量；γ+为酸性分量；γ-为碱性分量。三种试剂的表面自由能参数见表1。涂料及沥青混合料的表面能参数见表2。
表1.探针溶液的表面能参数(mJ/m2)
Figure BDA0003293813000000043
Figure BDA0003293813000000051
表2.涂料及沥青混合料的表面能参数(mJ/m2)
溶液 γ<sup>LW</sup> γ<sup>p</sup> γ<sup>+</sup> γ<sup>-</sup> γ
标线涂料 65.36 0.33 0.17 0.62 65.69
沥青混合料 42.23 2.09 1.59 2.78 44.32
将测得的涂料以及混合料表面能分量值带入式(d)中，计算涂料与沥青混合料界面之间的粘附功，结果为107.32mJ/m2。
Figure BDA0003293813000000052
实施例2
使用一种市售的双组份标线涂料和AC-5沥青混合料制备试样。
使用去离子水、丙三醇以及甲酰胺作为测定接触角的探针溶液，测定这三种试剂在试样表面的接触角，将接触角测定结果带入Young-Dupre方程式(b)中得到三组方程，通过解方程(b)、(c)可以反算得到涂料表面能及沥青混合料表面能参数：γLW：范德华分量；γ+：酸性分量；γ-：碱性分量。
Figure BDA0003293813000000053
Figure BDA0003293813000000054
式中：θ为探针溶液与材料之间的接触角；S为涂料或沥青混合料；L为探针溶液；γd为色散分量；γp为极性分量；γLW为范德华分量；γ+为酸性分量；γ-为碱性分量。三种试剂的表面自由能参数见表3。涂料及沥青混合料的表面能参数见表4。
表3.探针溶液的表面能参数(mJ/m2)
Figure BDA0003293813000000055
Figure BDA0003293813000000061
表4.涂料及沥青混合料的表面能参数(mJ/m2)
溶液 γ<sup>LW</sup> γ<sup>p</sup> γ<sup>+</sup> γ<sup>-</sup> γ
标线涂料 69.32 0.47 0.23 0.71 69.79
沥青混合料 44.17 3.02 1.72 3.43 47.19
将测得的涂料以及混合料表面能分量值带入式(d)中，计算涂料与沥青混合料界面之间的粘附功，结果为114.64mJ/m2。
Figure BDA0003293813000000065
实施例3
使用一种市售的水性标线涂料和OGFC-10沥青混合料制备试样。
使用去离子水、丙三醇以及二碘甲烷作为测定接触角的试剂，测定这三种试剂在试样表面的接触角，将接触角测定结果带入Young-Dupre方程式(b)中得到三组方程，通过解方程(b)、(c)可以反算得到涂料表面能及沥青混合料表面能参数：γLW：范德华分量；γ+：酸性分量；γ-：碱性分量。
Figure BDA0003293813000000062
Figure BDA0003293813000000063
式中：θ为探针溶液与材料之间的接触角；S为涂料或沥青混合料；L为探针溶液；γd为色散分量；γp为极性分量；γLW为范德华分量；γ+为酸性分量；γ-为碱性分量。三种试剂的表面自由能参数见表5。涂料及沥青混合料的表面能参数见表6。
表5.探针溶液的表面能参数(mJ/m2)
Figure BDA0003293813000000064
Figure BDA0003293813000000071
表6.涂料及沥青混合料的表面能参数(mJ/m2)
溶液 γ<sup>LW</sup> γ<sup>p</sup> γ<sup>+</sup> γ<sup>-</sup> γ
标线涂料 45.32 0.43 0.21 0.77 45.75
沥青混合料 32.17 2.44 2.23 3.56 34.61
将测得的涂料以及混合料表面能分量值带入式(d)中，计算涂料与沥青混合料界面之间的粘附功，结果为80.74mJ/m2。
Figure BDA0003293813000000072
实施例4
使用一种市售的溶剂型标线涂料和SMA-5沥青混合料制备试样。
使用去离子水、丙三醇以及二碘甲烷作为测定接触角的试剂，测定这三种试剂在试样表面的接触角，将接触角测定结果带入Young-Dupre方程式(b)中得到三组方程，通过解方程(b)、(c)可以反算得到涂料表面能及沥青混合料表面能参数：γLW：范德华分量；γ+：酸性分量；γ-：碱性分量。
Figure BDA0003293813000000073
Figure BDA0003293813000000074
式中：θ为探针溶液与材料之间的接触角；S为涂料或沥青混合料；L为探针溶液；γd为色散分量；γp为极性分量；γLW为范德华分量；γ+为酸性分量；γ-为碱性分量。三种试剂的表面自由能参数见表7。涂料及沥青混合料的表面能参数见表8。
表7.探针溶液的表面能参数(mJ/m2)
Figure BDA0003293813000000075
Figure BDA0003293813000000081
表8.涂料及沥青混合料的表面能参数(mJ/m2)
溶液 γ<sup>LW</sup> γ<sup>p</sup> γ<sup>+</sup> γ<sup>-</sup> γ
标线涂料 62.31 0.41 0.22 0.57 62.72
沥青混合料 47.56 2.34 1.97 3.32 49.90
将测得的涂料以及混合料表面能分量值带入式(d)中，计算涂料与沥青混合料界面之间的粘附功，结果为112.66mJ/m2。
Figure BDA0003293813000000082
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于表面能理论的标线涂料粘附性测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)选取三种已知表面能参数的溶液作为探针溶液，测量三种溶液液滴与标线涂料、沥青混合料表面形成的接触角；
(2)将接触角测量结果带入Young-Dupre方程式(b)中，得到三组方程，通过解方程(b)、(c)可以计算得到标线涂料表面能及沥青混合料表面能参数：
Figure FDA0003293812990000011
Figure FDA0003293812990000012
式中：θ为探针溶液与材料之间的接触角；S为标线涂料或沥青混合料；L为探针溶液；γd为色散分量；γp为极性分量；γLW为范德华分量；γ+为酸性分量；γ-为碱性分量；
(3)将测得的标线涂料、沥青混合料表面能分量值带入式(d)中，计算标线涂料与沥青混合料界面之间的粘附功：
Figure FDA0003293812990000013
2.根据权利要求1所述的基于表面能理论的标线涂料粘附性测试方法，其特征在于，步骤1中，采用座滴法、量高法、量角法中的任意一种测量接触角。
3.根据权利要求2所述的基于表面能理论的标线涂料粘附性测试方法，其特征在于，步骤1中，采用光学电子接触角测定仪器，利用座滴法测量接触角。
4.根据权利要求3所述的基于表面能理论的标线涂料粘附性测试方法，其特征在于，采用座滴法测量接触角的具体操作包括：对三种溶液液滴与标线涂料、沥青混合料表面形成的液滴图像进行采集，系统根据采集的液滴图像测量出三种溶液液滴与标线涂料、沥青混合料的接触角。
5.根据权利要求1所述的基于表面能理论的标线涂料粘附性测试方法，其特征在于，所述标线涂料、沥青混合料表面保证平整洁净。
6.根据权利要求1所述的基于表面能理论的标线涂料粘附性测试方法，其特征在于，所述测试温度为室温25℃。
7.根据权利要求1所述的基于表面能理论的标线涂料粘附性测试方法，其特征在于，所述每种溶液的接触角测量结果均为至少5次实验的平均值。
8.根据权利要求1所述的基于表面能理论的标线涂料粘附性测试方法，其特征在于，步骤1中所述的3种溶液应不与沥青混合料或标线涂料发生物理或化学反应。
9.根据权利要求1所述的基于表面能理论的标线涂料粘附性测试方法，其特征在于，所选用的沥青混合料为SMA型、AC型、OGFC型沥青混合料，并经过切割以保证整体的平整性。
10.根据权利要求1所述的基于表面能理论的标线涂料粘附性测试方法，其特征在于，所述的标线涂料可为热熔型、溶剂型、双组份型、水性涂料中的任意一种。
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