施雪珍
施生君 陳鋌
摘要：簡述了水性環氧地坪涂料的特點，重點討論了水性環氧地坪涂料的配方設計及其主要成分對涂膜性能的影響，并給出了水性環氧地坪涂料的配方實例及性能，在這基礎上簡要介紹了水性環氧地坪涂料的施工工藝。
關鍵詞：水性環氧地坪涂料；配方設計；施工工藝
Formulation design and construction of waterborne epoxy floor coating
Shi Xuezhen, Shiwet, Chen Ting
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
環氧樹脂涂料具有硬度高、耐磨性好、附著力高和耐化學藥品性能優異等特點，廣泛應用在工業地坪涂裝領域。近年來，隨著人們環保意識的不斷提高，許多國家相繼頒布了限制揮發性有機溶劑（VOC）的環保法規，涂料的水性化、無溶劑化和高固體分化已成為涂料發展的必然趨勢。
我國的工業地坪涂料目前基本上是溶劑型和無溶劑型環氧地坪涂料，溶劑型環氧地坪涂料含有較多的有機溶劑，這些有機溶劑在涂料的生產和施工階段排入大氣，污染環境，同時危害人類健康；無溶劑型環氧地坪涂料含有少量的活性稀釋劑，常用的活性稀釋劑為丁基環氧丙基醚（有一定毒性），采用自流平施工工藝，涂膜厚度為1-5mm，成本較高且含有少量的揮發性有機溶劑。
與普通的溶劑型環氧地坪涂料相比，水性環氧地坪涂料具有以下優勢[1]：（1）以水作為分散介質，不含甲苯、二甲苯之類的揮發性有機溶劑，不會造成環境污染，沒有失火的隱患，滿足當前環保的要求，當然也可加入少量的丙二醇甲醚等無空氣污染的醇醚類溶劑來改善水性環氧涂料的成膜。（2）可在潮濕環境中施工和固化，有合理的固化時間，保證涂膜有較高的交聯密度。（3）對大多基材具有良好的附著力，即使是潮濕的基材表面同樣有良好的粘結性。（4）操作性能好，施工工具可用水直接清洗，可以重復使用，涂料的配制和施工操作安全方便。（5）固化后的涂膜光澤柔和，質感較好，并且具有較好的防腐性能和單向透氣性。
因此，隨著環保法規和人們環保意識的增強，水性環氧地坪涂料將會得到廣泛的應用，研究和開發水性環氧工業地坪涂料具有很大的經濟效益和社會效益。本文較為系統的討論了水性環氧地坪涂料的配方設計及其主要成分（環氧樹脂、水性環氧固化劑、顏填料、助劑和共溶劑等）對涂膜性能的影響，并給出了水性環氧地坪涂料的配方實例及性能，在這基礎上簡要介紹了水性環氧地坪涂料的施工工藝。
2 水性環氧地坪涂料的配方設計
2.1 環氧樹脂
環氧樹脂類型對水性環氧地坪涂料的性能影響很大。由于雙酚A型環氧樹脂分子中含有極性高而不易水解的羥基和醚鍵，使其對混凝土等多種基材有良好的附著力，涂料固化時的體積收縮率低，耐化學藥品性能良好。并且雙酚A型環氧樹脂為剛性的苯環和柔性的醚鍵交替排布的結構，賦予涂膜較好的物理機械性能，所以這類環氧樹脂被廣泛用于地坪涂料，而其他類型的環氧樹脂如雙酚F型和酚醛環氧樹脂則應用的較少。
目前國內外環氧樹脂的水性化技術主要分為乳化法和成鹽法兩大類[1]。乳化法指的是環氧樹脂的直接乳化、不用外加乳化劑的自乳化或水性環氧固化劑乳化，而成鹽法[1-2]則是將環氧樹脂改性成富含酸或富含堿的樹脂，再用小分子量的堿或酸進行中和。對于用作水性環氧地坪涂料的環氧樹脂乳液宜選用乳化法來制備。
（1） 直接乳化法
將環氧樹脂和乳化劑混合，加熱到合適的溫度，在激烈的攪拌下緩慢加水完成相反轉來制得水性環氧樹脂乳液�？刹捎玫娜榛瘎┯芯垩趸蚁┩榛眩℉LB=10.8~16.5）和聚氧化烷基酯（HLB=9.0～16.5）[3]，當然也可合成專用的水性環氧乳化劑，本公司采用聚四氫呋喃（PTMEG）合成水性環氧乳化劑，用該乳化劑乳化形成的水性環氧樹脂粒徑較小，儲存穩定性較好，并且加入固化劑固化后的涂膜耐化學藥品性能和耐熱性也較好。
（2） 自乳化環氧樹脂
在環氧樹脂分子鏈中引入親水性氧化乙烯鏈段或氧化丙烯鏈段，同時保證每個改性后的環氧樹脂分子上含有兩個或多個環氧基，不用外加乳化劑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與雙酚A型環氧樹脂和雙酚A反應制得具有自乳化功能的高分子量環氧樹脂，反應過程中以三苯基膦作為催化劑，改性后的環氧樹脂很容易分散在水中，可預先制成水性環氧樹脂乳液或在施工場合就地乳化，且由于親水鏈段包含在環氧樹脂的分子鏈中，固化后涂膜的耐化學藥品性能有所提高。
（3） 水性環氧固化劑乳化環氧樹脂
水性環氧固化劑乳化環氧樹脂的原理是對多元胺進行改性，使其成為具有親環氧樹脂結構的水性環氧固化劑，同時該固化劑又作為陽離子型乳化劑完成對環氧樹脂的乳化，用該方法制備的水性環氧樹脂乳液具有良好的穩定性，并且由于環氧樹脂組分不需進行親水改性，可以保證涂膜的耐化學藥品性能良好[1,4]。
用這三種方法制備的水性環氧樹脂乳液均適用于水性環氧地坪涂料，用水性環氧固化劑乳化環氧樹脂法宜選用低粘度的液體環氧樹脂，這樣有利于固化劑的混合乳化；對于高分子量環氧樹脂則應該用直接乳化法或自乳化法制備，并且所用的高分子量環氧樹脂需過量40-60％才能保證涂膜的最終性能。
2.2 水性環氧固化劑[1]
水性環氧固化劑是決定水性環氧地坪涂料最終性能的關鍵組分之一。作為水性環氧樹脂的固化劑，應能夠較好地溶解或分散在水中，而且在水中能夠穩定存在，與環氧樹脂要有良好的相容性。固化劑可直接乳化環氧樹脂或與水性環氧樹脂乳液配成穩定的水性環氧樹脂體系，同時體系的流變性能、適用期、固化條件和涂膜性能也應滿足地坪涂料使用的要求。
酸酐遇水會分解，不適合作為水性環氧樹脂的固化劑，并且水性環氧地坪涂料常用在室溫固化的場合，因而常用的水性環氧固化劑大多為多元胺或其改性產物，利用其分子中胺基上的活潑氫與環氧樹脂分子中的環氧基反應。多元胺常用的改性方法有以下三種：第一種是由多元胺與單脂肪酸反應制得的酰胺化的多胺，第二種是由二聚酸與多元胺進行縮合而成的聚酰胺，第三種是由多元胺與環氧樹脂加成得到的多胺-環氧加成物。這三種方法均采用在多元胺分子鏈中引入非極性基團，使得改性后的多胺固化劑具有兩親性結構，以改善與環氧樹脂的相容性。
酰胺化的多胺[5]本身具有一定的水溶性或水可分散性，無需借助于助溶劑或乳化劑的作用就可獲得一定范圍的水可稀釋性，從而可以用作水性環氧樹脂的固化劑。并且酰胺化的多胺具有表面活性劑的作用，低分子量液體環氧樹脂不需要預先乳化，而由酰胺化多胺在施工前混合乳化，用酰胺化多胺乳化環氧樹脂配成的水性環氧體系具有施工性能好，適用期長等優點。但用單脂肪酸改性的酰胺化多胺固化劑與環氧樹脂的相容性不是太好，容易發生相分離而在涂膜表面出現浮油和凹坑等表面缺陷，并且固化不充分造成涂膜的耐化學性能和耐濕性較差。
采用二聚酸與多元胺進行縮合來制備水性聚酰胺固化劑，這樣改性可改善與環氧樹脂的相容性，涂膜表面也不會出現因不相容而造成的表面缺陷。但用聚酰胺固化劑乳化的環氧樹脂體系的適用期較短，一般不超過一小時就會凝膠化，這對于地坪施工會帶來一定的麻煩。并且用聚酰胺固化的涂膜柔韌性較差，抗沖性能較差，涂膜偏脆。水性聚酰胺固化劑由于合成時二聚酸中不飽和雙鍵的存在而容易被空氣中的氧氣氧化導致固化劑的顏色變深，不適合作為色澤要求較高的水性環氧地坪涂料的固化劑。
由于用酰胺化多胺和聚酰胺水性固化劑固化的涂膜或多或少存在缺陷，而改性后的涂膜性能又沒有明顯改良，因此國外采用的水性環氧固化劑為多元胺-環氧加成物，采用環氧樹脂與多元胺反應，在多元胺分子鏈中引入環氧樹脂分子鏈使得合成后的固化劑具有親環氧樹脂的分子結構，減少固化劑分子中伯胺基團的含量可明顯降低固化劑的活性，使得用這種類型的水性環氧固化劑乳化的環氧體系的適用期有所延長。并通過添加聚氧化烷基多胺的方法來改善涂膜偏脆的問題。若該水性環氧固化劑要具有乳化環氧樹脂的功能則需通過在固化劑分子鏈中引入氧化烷基鏈段或離子基團來獲得。本公司合成的水性環氧固化劑GCA01屬于典型的多胺-環氧加成改性固化劑,
可用水進行稀釋，稀釋過程中不會出現類似于水性聚酰胺固化劑稀釋時由于膠束的形成和聚酰胺與水之間的氫鍵作用產生的“水峰”現象。并且固化劑分子中含有表面活性鏈段，能將低分子量環氧樹脂直接乳化，其性能見表1。
表1 水性環氧固化劑GCA01的性能
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檢測項目
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檢測結果
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外觀
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黃色液體
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粘度（25℃）/
mpa.s |
1500-4500
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固含量
/ % |
45-47
|
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密度（25℃）/
g.cm-1 |
1.05-1.10
|
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稀釋劑*
|
水和丙二醇甲醚
|
|
閃點
/℃ |
>100
|
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胺氫當量
/g.eq-1 |
290-295
|
*注：該水性環氧固化劑中含有少量的丙二醇甲醚以保證室溫下成膜，盡管含有溶劑，但其閃點仍高于100℃。
2.3 顏填料
水性環氧地坪涂料的著色宜選用那些耐化學藥品性能和耐候性較好的無機顏料或其水性色漿。水性環氧地坪涂料配制時填料的選擇原則是采用低吸油量、細度適中、性能穩定的填料。當然，考慮到水性環氧固化劑呈弱堿性，應避免采用酸性的顏填料。水性環氧地坪涂料是雙組分涂料，顏填料既可加到環氧樹脂組分中，也可以加在水性環氧固化劑組分中。
填料的用量（用顏基比來表示）對水性環氧地坪涂料的最終性能影響很大，適量的加入不僅能降低水性環氧地坪涂料的成本，縮短涂膜表干時間，還可以提高涂膜的機械強度、耐磨性、光澤和遮蓋力，減少涂料固化時的體積收縮，并賦予涂料良好的貯存穩定性；但過量加入則會增加水性涂料的粘度，導致涂料的流平性變差，施工困難，涂膜的表面效果變差。
2.4 助劑
對于水性環氧地坪涂料，顏填料既可在環氧樹脂組分中分散，也可以在水性環氧固化劑組分或在兩個組分中同時分散。顏填料在環氧樹脂組分中分散會受到環氧樹脂粘度的限制，顏填料的用量不能加的太多，分散效率較低，為避免產生浮色和發花現象，通常需加入分散劑來防止顏料的絮凝，從而克服因顏填料絮凝引起的浮色和發花，但選用的分散劑應為油水兩用型分散劑。因而我們建議配漆不在環氧樹脂組分中進行，而選擇在水性環氧固化劑組分中進行，具有乳化環氧樹脂功能的固化劑其分子中含有表面活性鏈段，能潤濕顏填料，有一定的潤濕分散作用，可以不加分散劑就直接進行配漆。
因為水的表面張力較高，對底材的潤濕性較差，特別是有油脂殘余的表面更難以潤濕，這時應加入潤濕流平劑來提高其潤濕性，同時也改善了涂料的流平性。但在水性環氧固化劑組分中配漆會因為胺固化劑的存在，降低了表面張力而容易存在夾帶空氣的問題，水性環氧地坪涂料的配制和施工也不可避免的會帶入空氣，同時加入潤濕流平劑之類的表面活性劑也很容易造成泡沫，因此，配漆時要加入抑泡劑和消泡劑，通常在分散前加入抑泡劑來減少形成泡沫的可能，分散后再加入消泡劑來消除混入的氣體，這樣才能使水性環氧地坪涂料在涂裝時形成光滑平整的表面。此外,
還可以加入增稠劑來調節固化劑色漆的粘度，使得兩個組分的粘度相差不大，便于混合乳化。
2.5 共溶劑
雙組分水性環氧涂料是一種乳液型涂料，兩組分混合后，水性環氧固化劑分子首先和環氧樹脂分散相的表面接觸發生固化反應，隨著固化反應的進行，環氧樹脂分散相的分子量和玻璃化溫度逐漸提高，使得固化劑分子向環氧樹脂分散相粒子內部的擴散速度逐漸變慢，這就意味著環氧樹脂分散相粒子內部進行的固化反應較表面的少，內部交聯密度也較低。同時隨著固化反應的進行，環氧樹脂分散相粒子逐漸變硬，粒子之間也很難相互作用而凝結成膜。
共溶劑（又叫成膜助劑）通常是揮發很慢的溶劑，如各類醇醚、醇醚醋酸酯和醇酯等，特別是那些對環境不會產生污染的溶劑（如丙二醇甲醚等），加入后可使水性環氧地坪涂料的最低成膜溫度逐漸降低，有利于固化凝結成膜。同時共溶劑還能調節涂料體系的粘度，改善水性環氧地坪涂料的流平性和最終涂膜的外觀。良好的共溶劑通常需滿足以下條件：良好的水解穩定性；低的凝固點；適中的揮發率；高效的凝結效率。在一般情況下，共溶劑的添加量按基料的1-5%左右考慮，在溫度較低的季節施工，共溶劑的加入量可適當增加以得到更好的涂膜效果。
2.6 環氧基與胺氫當量比
研究發現環氧樹脂和水性環氧固化劑的使用比例（用環氧基與胺氫當量比來表示）對水性環氧地坪涂料的性能有很大的影響[1]，水性環氧地坪涂料的性能可通過調節當量比來改變，一般當量比可作百分之二十的增減，表2總結了環氧基與胺氫當量比對水性環氧地坪涂料性能的影響。具體的當量比因應用場合不同而異，環氧基過量可使水性環氧地坪涂料的適用期延長，涂膜的耐水性、耐化學藥品性能以及耐濕性等性能有所提高；而胺氫過量又可加快涂膜的固化，涂膜的光澤度、附著力、耐磨性和耐溶劑性也相應改善。
表2
環氧基與胺氫當量比對水性環氧地坪涂料性能的影響：
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胺氫過量
|
環氧基過量
|
|
光澤度好
|
耐腐蝕性好
|
|
固化快
|
適用期長
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附著力強
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耐水性好
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耐磨性好
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耐堿性好
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耐溶劑性好
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耐濕性好
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耐污性好
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耐酸性好
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3 水性環氧地坪涂料的配方實例和性能
該水性環氧地坪涂料由低分子量液體環氧樹脂（組分一）和水性環氧固化劑色漆（組分二）組成，采用水性環氧固化劑色漆來乳化低分子量液體環氧樹脂，配漆則選擇在固化劑組分中進行，這一點與常規的溶劑型環氧地坪涂料的配制不同（在環氧樹脂溶液組分中配制）。
水性環氧地坪涂料參考配方如下：
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原料名稱
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質量，g
|
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組分一
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環氧樹脂DDR331
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90-95
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共溶劑
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1-5
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組分二
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水性環氧固化劑GCA01
|
20-25
|
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水
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40-50
|
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抑泡劑
|
0.1
|
|
鈦白粉
|
5-10
|
|
顏填料
|
145-175
|
|
水性環氧固化劑GCA01
|
115-125
|
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增稠劑
|
1-2
|
|
消泡劑
|
0.3-0.5
|
水性環氧地坪涂料的配制工藝為
（1）將水性環氧固化劑GCA01、水和少量抑泡劑加到料筒中，攪拌直至水性環氧固化劑GCA01溶解均勻；
（2）在中速下加入鈦白粉和各種顏填料，先高速分散10min，然后進行砂磨，直到細度小于50um為止；
（3）過濾后在中速下緩慢加入水性環氧固化劑GCA01，加完后再攪拌15min；
（4）用增稠劑調節色漆粘度，并在低速下加入消泡劑，攪拌5min后進行包裝。
表3為水性環氧固化劑GCA01和環氧樹脂DER331配制的水性環氧地坪涂料的性能。
表3水性環氧地坪涂料的主要技術參數
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序號
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檢驗項目
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技術要求
|
檢驗結果
|
測試方法
|
|
1
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干燥時間，h
|
表≤4
實≤24 |
表：3
實：24 |
GB/T1728-1989
|
|
2
|
硬度
|
≥H
|
2H
|
GB/T6739-1996
|
|
3
|
附著力，級
|
≤2
|
1
|
GB/T1720-1989
|
|
4
|
柔韌性，mm
|
≤2
|
2
|
GB/T1731-1993
|
|
5
|
耐磨性，750g/500r
|
≤0.04
|
0.025
|
GB/T1768-1989
|
|
6
|
耐沖擊性，Kg.cm
|
≥30
|
40
|
GB/T1732-1993
|
|
7
|
耐水性
|
96h無異常
|
無異常
|
GB/T1733-1993
|
|
8
|
耐堿性（10％NaOH溶液）
|
96h無異常
|
無異常
|
GB/T1763-1989
|
|
9
|
耐鹽水性
|
48h無異常
|
無異常
|
GB/T1763-1989
|
|
10
|
光澤度
|
≥60
|
75
|
GB/T1743-1989
|
4水性環氧地坪涂料的施工
下文就平涂型水性環氧地坪涂料的施工方法做簡要的施工介紹。
4.1 施工準備
（1）材料：水性環氧地坪涂料底涂、中涂、面涂，石英砂，石英粉等相關材料。
（2）工具：基材打磨工具、吸塵器、批補刮刀、輥筒、小型攪拌器等。
（3）施工條件
a、將地面水泥砂漿剔鑿并清掃干凈，地面如有油脂類雜質，須用溶劑擦拭干凈；
b、原水泥地面要求堅硬、平整、不起砂，地面如有空鼓、脫皮、起砂、裂痕等，必須按要求處理后方可施工。原地面如為水磨石、地板磚等光滑地面．須先鑿成粗糙面；
c、只要不積水，或不明顯滲漏就可施工，施工時現場條件相對濕度應低于85％，環境溫度在10℃以上。
4.2 施工步驟
（1）底涂：將混凝土基材處理完畢并清理干凈后就可進行底涂（輥涂或刷涂），輥涂或刷涂應均勻，厚薄一致，該底涂具有一定的透水氣功能，能增強基材強度并增加涂層對基材的附著力。
（2）中涂：在已配好的水性環氧涂料（中涂）中加入石英砂和石英粉配成水性環氧砂漿，用鏝刀將其均勻涂布，用于增加厚度及涂層抗壓強度；
（3）批補：中涂后用砂紙將地坪打磨，并用水性環氧涂料（中涂）與石英粉配成的膩子依實際需要施工數道，要求達到平整無孔洞，無批刀印及砂磨印為準；
（4）面涂：用輥筒將水性環氧地坪涂料面涂輥二道，完工后要求整體地面光澤柔和、潔凈、顏色均一、無空鼓；
（5）養護：面層實干需要24小時，在這期間應進行封閉，以免影響表面潔凈光滑的效果。3天后方可上人，完工保養7天后方可正式投入使用（以25℃為準，低溫時開放時間需適度延長）。
5 結語
水性環氧地坪涂料具有與溶劑型環氧地坪涂料相當的性能，現有的水性環氧地坪涂料可以應用在制藥、食品、醫院、紡織、化工、電子等行業的生產廠房、辦公樓、倉庫、實驗室的地坪涂裝[5]，特別適用于一樓地面、地下室、地下停車場和其它較為潮濕的環境。作為綠色環保產品，水性環氧地坪必然得到人們的認可和廣泛使用。
參考文獻
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Waterborne Coatings. Part I: Emulsification of Epoxy Resin.J Polym Eng
Sci, 1993, 33(5)：253-259.
[3] 張黎,舒武炳.水性環氧樹脂體系的研究進展.涂料工業，2002，32（8）：28-30.
[4] Wegmann A. Novel Waterborne Epoxy Resin Emulsion. J
Coating Technol, 1993, 65（827）：27-34.
[5]周天壽，沈志明等.水性環氧及其在建筑中的應用.新型建筑材料，2001，(5):16-18.
