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道路交通标线涂料研究

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摘要:概述了道路交通标线的起源以及标线在公路中的作用;分析了国内外道路交通标线所使用涂料的发展状况;展望了道路交通标线涂料未来的发展趋势。

关键词:道路;交通;标线;涂料

引言

随着我国经济的快速增长,在道路事业和车辆产业取得突飞猛进的同时,道路交通标线在引导、管制和警告交通参与者中的作用日益显著[1]。在众多的道路标线材料中,涂料凭借其易涂覆于道路表面,并能以薄膜的形式牢固地附udh在路面等优势,被视为最具潜力的路面标线材料。美国俄亥俄州于1924年首次将涂料应用于道路交通标线来规范交通秩序。随后道路交通标线涂料在种类、性能和施工工艺等方面取得了质的飞跃。据统计,每年各种标线涂料的使用量约15万t左右,这就使得道路交通标线涂料市场始终保持强劲的增长态势。道路交通标线涂料经历了从由单一性到多样性、从溶剂型到环保型、从单功能到多功能的发展。目前道路交通标线涂料大体分为:溶剂型涂料、热熔型涂料、双组份涂料和水性涂料。且随着生态文明建设脚步的加快,溶剂型和热熔型正逐渐退出道路标线涂料的舞台,而环保型水性涂料逐渐成为道路标线涂料的主流,其中最典型的案例就是美国北卡罗来纳环保型水性标线涂料的使用量占总道路交通标线里程数的80%以上[2]。

1国内外公路交通标线涂料的发展

道路交通标线涂料不仅是公路的安全标记,同时也是公路的特殊语言,其质量的优劣不仅影响交通安全,同时还会增加道路的维护成本。因此,道路标线涂料的选择必须参照JT/T280—2004《路面标线涂料》(如表1所示)和道路标线涂料的性能指标要求[3]。而道路标线涂料的性能指标为:①可识别度高;②反光性能优异;③干燥时间短;④附着力强;⑤使用寿命长;⑥耐磨、耐候、耐腐蚀,抗污染、抗变色;⑦原料环保、成本低。

1.1水性道路交通标线涂料

水性道路交通标线不仅具有较强的全天候可视性、稳定性、粘结性、耐磨性和防滑安全性,而且还有较长的使用寿命(是热熔型涂料的2~3倍)、简单的施工工艺、优异的重涂性、较低的维护成本以及友好的施工环境[4-6]。随着生态文明意识的增强,环境友好型水性道路交通标线涂料已成为道路交通标线领域里的“新宠”[7-8]。20世纪90年代,陶氏公司成功研制出了快干型水性丙烯酸涂料,其特点是不粘胎、干燥时间较短、抗水损能力强。后期针对沥青路面和混凝土路面涂料黏结性差、润湿性差以及耐候性差等问题,陶氏化学公司研制出性能优异的快驰克TM(FASTRACKTM)产品[9]。而德国PLASTIROUTE公司的水性标线涂料凭借其防滑性、柔韧性及耐磨性均较强和经济环保等优势,长期占据水性标线涂料市场的冠军宝座。分析该类水性涂料与国产热熔型涂料和溶剂型涂料的性能如表2所示[10]。虽然国内水性道路交通标线涂料已部分试验性的投入城市道路、高速公路和机场等基础设施中,短期使用效果甚佳,但后期逐渐暴露出使用寿命短、易腐蚀破坏、易粘脏、环境适应性差以及干燥耗时等问题。为突破国内水性标线涂料在使用中遇到的瓶颈,董立志等[11]将快干型纯丙烯酸酯共聚物乳液和水性氟碳乳液进行复配,并将纳米填料(如纳米二氧化硅)掺杂到复合物中进而制备出附着力强、耐候性、耐沾污性和耐磨性优异的水性反光型路标涂料;梁哲等[12]巧妙利用碱溶型固体丙烯酸树脂易溶于氨水这一特性,配制出了纯丙烯酸树脂乳液,并对水性丙烯酸树脂分子的亲水基(羧基)做特殊改性,成功制得了附着力和耐水性等满足常规溶剂型丙烯酸树脂涂料标准的水性路标涂料,其反应过程如图1所示。吴明江等[13]以聚己二酸丁二醇酯二醇(PBA)、二羟甲基丙酸(DMPA)和甲苯二异氰酸酯(TDI)等为主要原料,通过预聚体法制备出了不仅对水具有较好的分散性,而且还能牢牢附着于路面、干燥快速以及抗冲压强的单组分水性聚氨酯树脂;孙道兴等[14]利用硅烷偶联剂改性的水性聚氨酯弹性树脂2344和纳米二氧化硅、功能多胺聚合物、颜填料和助剂复配时可自交联的特点,成功制得了干燥速度快、耐磨、耐水、耐老化和抗紫外线粉化等特性的环保型道路标线涂料;肖龙等[15]利用硅烷偶联剂制备的无机材料化学接枝改性丙烯酸树脂的有机-无机纳米复合乳液,制备出了性能优异的道路标线涂料,其磨损实验测试质量损失约为13.5mg,耐磨性能远超水性路标涂料国家标准要求,且较市售同类产品的耐磨性能提高了73%。2013年陕西世纪交通工程股份有限公司自主研发出了一种无毒、高固含量和重涂性优异的纳米载体双组分甲基丙烯酸甲酯(MMA)反光环境友好型涂料,并在沥青和水泥路面实验中表现出良好的性能[10]。

1.2热熔型道路交通标线涂料

热熔型道路交通标线涂料具有超速干(一般3~5min)、耐久、耐磨性优异、夜间反光度好等特点。一般用于新修高速公路、公路特殊路段和危险路段以及路面平整度要求不严格路段的标线[16-19]。热熔型道路交通标线涂料的历史可追溯至1985年,我国研制出了以石油树脂和植物矿物油为主要原料的热塑型标线涂料,其特点是膜厚1.5~2.5mm,不仅能增加膜的耐磨性,还能延长道路标线的使用寿命。该类涂料的研发成功打破了国内只有溶剂型标线涂料的历史。近年来,由于化工行业的快速发展,使得各种化合物单体生产技术日益工业化,其中最典型的就是丙烯酸的工业化以及丙烯酸单体改性合成耐候性优异树脂涂料技术的实现,无疑为标线涂料家族又添一新成员[20]。与此同时,科研人员通过改性热熔型涂料来增强道路标线的各项指标,其中张薇等[21]利用热塑性弹性体乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)来改性热熔型道路标线涂料,并研究了热熔型道路标线涂料的配方和工艺对标线涂料性能的影响,总结的经验数据对涂料的选用具有参考性的意义;赵娇娇等[22]以改性松香树脂、350-1醇酸树脂和VA900型EVA树脂为成膜物质,并填加颜料、助剂和玻璃微珠制备了热熔型路标涂料。结果表明:该标线涂料具有干燥效率高、反光性能好、耐磨擦性高等性能。而美国在1958年首次使用了热熔型标线涂料,并表现出优异的性能,使得越来越多国家的公路标线开始使用该类涂料[23-25]。但是该类涂料受昼夜温差影响较大,易发生变脆、开裂和过流等问题,致使研究人员开始从涂料配方出发来研制满足不同环境条件的标线涂料[26-28]。其中MirabediniS.M.等[25]通过混合实验设计优化标线涂料配方的方法来改善道路标线涂料的性能,结果表明:混合实验设计方法科学地提供了性能优异的热熔型道路标线涂料配方。同时国外还发明了一种将冷用热塑型涂层先在工厂预制成片,施工时,将其粘压在路面上的反光胶带[20]。热熔涂料不仅存在单位涂敷面积造价高,还存在施工效率低和能源消耗高等问题,另外在交通流量小,服役时间较长、已经老化开裂的沥青路面和水泥路面(黏结性能较差)使用效果差,同时加热后的粉状涂料在施工时也会挥发出低沸点有害气体[10]。因此,仍需继续改进该类涂料或是研制环保型涂料。

1.3溶剂型道路交通标线涂料溶剂型道路交通标线涂料因其良好的力学性能,一直备受道路施工者的青睐[29]。溶剂型道路交通标线涂料主要分为常温溶剂型和加热溶剂型两种。

1.3.1.常温溶剂型道路标线涂料常温型道路标线涂料发展至今主要有酯胶、环氧、丙烯酸和氯化橡胶4个品种。20世纪60年代,我国仅有脂胶型的常温溶剂型道路标线涂料,其主要成分是天然材料(干性油、硬树脂等)、体质颜料、填料、助剂。由于该类涂料的溶剂含量较高,所以该类涂料的涂层较薄、干燥速度较慢导致其使用寿命较短。因此,在日益繁忙的交通运输业环境下,脂胶型道路标线涂料已无法满足公路的发展需求。故在20世纪70年代初,环氧树脂标线涂料的问世,不仅丰富了道路标线涂料的种类,而且提升了标线涂料的性能。但是该类涂料生产成本高,干燥速度较慢,且是双组份混合使用,给现场施工带来了一定的不便[30]。科研人员为解决上述涂料使用中带来的问题进而研究出了干燥较快和耐磨性较好的氯化橡胶标线涂料[20]。常温型标线涂料(通常有机溶剂≥30%)使用中释放的大量有机溶剂,不仅对周围环境和施工人员带来一定的伤害,而且存在涂膜干燥时间略长、耐磨性较差以及使用寿命较短等缺陷。

1.3.2.加热溶剂型道路标线涂料加热溶剂型道路标线涂料凭借其高固含、高黏度、涂层厚、节约能源等优点曾经引起过人们的普遍关注,但该涂料较高的生产成本以及中低固体分溶剂型涂料在使用过程中散发出的大量有毒气体(甲苯或二甲苯),不仅增加施工成本,还对施工人员的健康以及周围的环境带来不可逆的伤害,故已无法满足道路标线的严格要求。随着环保意识的加强以及国家相关政策的鼓励,道路标线涂料会不断向环境友好型涂料方向发展[10,31]。

1.4双组份道路交通标线涂料

双组份标线涂料主要特征是两种不同的组分在常温下经混合后以喷涂或刮涂的方式涂覆于路面的同时发生化学交联反应,该反应使得双组份涂料牢牢地附着在路面上[32]。双组份标线涂料是一种跟热熔标线涂料等同的耐久性标线涂料,其特点是标线不易开裂,夜间和雨天反光性能优异[33]。其基本操作为:在道路涂料的下面使用水性环氧树脂,在上面使用多羟基化合物(脲醛树脂或其它树脂)。其原理为涂料表层的多羟基化合物在较短时间内快速交联反应形成一层保护膜,先满足一般车辆的冲压;当深层的环氧树脂充分固化后,道路标线涂料的强度再次得以加强,这一施工过程不受高海拔大气压的影响,不会出现开裂脱落现象。但是,多羟基化合物的固化时间很难满足公路标线的高标准要求。为解决这一缺陷,窦小燕等[34]利用引发剂交联固化活性丙烯酸树脂和丙烯酸单体,成功制备出黏度低、固体含量高、固化时间适宜、低污染、耐磨、与玻璃珠粘结牢固、耐候性好的双组分道路标线涂料。但是无溶剂路标涂料在我国仍是一种新型道路标线涂料,且其配方和技术均还未成熟,仍需大量的研究工作[35]。

2结语

随着公路事业的快速发展,我国道路标线涂料从单一型逐渐呈现多元型,从高成本、高污染型逐渐发展为经济环保型。虽然道路标线涂料取得了巨大的进步,但是道路标线涂料在使用过程中仍暴露出许多问题,如性能、环保、成本和美感等。因此,还需积极开发新型节能环保标线涂料,以此来提高其反光性、耐磨性、耐压性和附着力,同时降低能源的消耗率和有机溶剂的挥发率;加大道路涂料施工设备的研发力度,缩短设备研发周期、研发成本和标线施工周期,并保证标线质量;以本地资源为依托,积极开发具有地方特色的标线涂料;充分规划道路标线、合理利用标线涂料,使得道路标线在发挥道路指示作用的同时还能美化道路环境、减少交通事故等。

作者:孔佩佩 单位:徐州工程机械集团有限公司

道路交通标线涂料研究责任编辑:张雨    阅读:人次