水性环氧

2024-08-09

水性环氧(精选7篇)

水性环氧 篇1

摘要:水性聚氨酯 (WPU) 与传统溶剂型聚氨酯不同, 是用水作分散介质的一类新型聚氨酯体系, 结合了溶剂型聚氨酷的高性能和水性乳液的低VOC含量, 是优异的环境友好型材料。近些年, 水性聚氨酯的改性引起许多学者的关注, 成为热门研究课题。环氧树脂常被用于改性水性聚氨酯, 本文就环氧改性水性聚氨酯进行了研究。

关键词:环氧树脂,改性,水性聚氨酯

前言

随着人们生活水平的提高, 环保意识也逐渐得到增强, 保护地球环境舆论压力与日俱增, 传统的含VOC材料有被淘汰的趋势, 高性能无污染的绿色材料产品日益受到消费者的青睐。水性聚氨酯 (WPU) 是用水作分散介质的一种新型聚氨酯体系, 并且在涂料工业、制革工业、胶粘剂等领域有着广泛的应用。近些年, 水性聚氨酯改性已经成为学者们关注的焦点, 最常见的就是环氧改性水性聚氨酯的研究。

一、水性聚氨酯

传统的聚氨酯大部分都是溶剂型的, 存在大量的有机溶剂, 易挥发且易燃易爆, 对环境和人体健康造成了严重的损害。随着低碳环保成为当今世界发展的主流, 水性聚氨酯应运而生。与传统的溶剂型聚氨酯不同, 水性聚氨酯是一种用水作为分散剂的聚氨酯类材料, 是一种环境友好型的绿色材料。目前水性聚氨酯的分类方法有很多。根据其亲水性能的差别, 可以将水性聚氨酯划分成阴离子型、阳离子型、非离子型和两性离子型。根据外观, 可以将水性聚氨酯分为乳液、分散液、水溶液三种。水性聚氨酯的合成方法主要有外乳化法和自乳化法两大类。其中外乳化法是最早的水性聚氨酯的合成方法, 但是该方法存在许多的弊端, 首先由于需要添加乳化剂进行合成, 增加了合成成本, 其次水性聚氨酯分散体残留的小分子亲水乳化剂会影响固化后聚氨酯胶膜的机械性能。再次, 利用外乳化法合成得到的水性聚氨酯分散体颗粒相对较大, 因此在贮存过程中不稳定。因此外乳化法仅在材料的表面处理上使用。自乳化发与外乳化法相比合成成本较低, 并且产品分散体颗粒小, 贮存稳定, 并且固化后形成的涂膜的耐水性和机械性能都很好, 因此是目前最常使用的合成方法。具体还可以将自乳化法分为丙酮法、预聚体法、熔融分散法、酮亚胺.酮连氮法。

二、环氧改性水性聚氨酯的意义及常见的改性方法

因为环氧树脂具性能优异, 如粘接能力、高强度、高模量、吸附力强、收缩率低、绝缘性好等, 因此在涂料、粘结剂、木材加工等领域有着非常广泛的应用。环氧树脂中的-OH能够与聚氨酯上的-NCO基团反应, 从而将环氧结构引入到聚氨酯的主链当中, 从而能够达到改性聚氨酯的目的。实验表明, 将环氧树脂引入到聚氨酯中能够进一步提高水性聚氨酯材料的性能, 如涂膜力学性能、耐化学品性、耐水性、耐温性等, 从而进一步扩大其使用范围。目前常用的环氧改性水性聚氨酯方法有机械共混法和化学共聚法两种。

因为环氧改性水性聚氨酯具有良好的性能, 因此成为许多学者研究的热点, 并取得了一定的成果。E44环氧树脂结构中具有许多羟基, 是一类多羟基化合物, 能够与水性聚氨酯直接发生合成反应, 在聚氨酯的主链当中引入支化点, 形成具有独特性能的聚氨酯网状结构, 从而提高水性聚氨酯涂料的机械性能, 同时还能够提高水性聚氨酯涂膜的耐水性、耐热性和耐溶剂性等性能。谢伟等人利用E-51环氧树脂与内交联剂三羟甲基丙烷对水性聚氨酯胶粘剂进行了改性, 实验结果表明, 添加适量环氧树脂改性后的水性聚氨酯材料具有更好的力学性能和奶水性能, 并且可以稳定贮存。华东理工大学朱黎澜等人利用甲苯二异氰酸酯、聚醚二元醇、1, 4-丁二醇、二羟甲基丙酸、环氧树脂和丙烯酸羟丙酯为主要原料制备了环氧改性水性聚氨酯乳液, 并对产品的粒径、粘度、贮存稳定性、样品模的耐水性等进行了表征。实验结果表明, 以环氧树脂E-128对聚氨酯进行改性时, 随着环氧树脂的增加, 乳液的稳定性降低, 粘度和涂膜耐水性在6%和7%添加量时最好。邓朝霞、叶代勇等人通过利用甲苯二异氰酸酯、聚醚二醇、二羟甲基丙酸、环氧树脂和丙烯酸丙酯为原料合成了环氧改性水性聚氨酯乳液, 并对反应温度、乳化分散速度、中和度和环氧树脂用量对乳液及涂膜性能的影响进行了详细研究。实验结果显示, 利用环氧树脂作为大分子扩链剂, 令环氧树脂的环氧基和羟基充分反应, 形成多重交联后所得到的环氧改性水性聚氨酯涂膜具有硬度更高, 力学性能和耐水性能更强。随着中和度的增加, 乳液的稳定性能、拉伸强度以及粘度都会提高, 粒径和耐水性则会降低。环氧树脂用量过度, 还会使乳液的外观和稳定性变差, 拉伸强度和硬度也同时变大。另外, 加入丙烯酸羟丙酯单体引入了双键, 得到的环氧改性水性聚氨酯乳液能够作为配置紫外光固化涂料或者胶粘剂的预聚物。安徽大学刘浏、戴震等人利用异佛尔酮二异氰酸酯、聚醚二醇、二羟甲基丙酸、一缩二乙二醇、三羟甲基丙烷和环氧树脂E-51制备得到了环氧改性水性聚氨酯乳液, 并通过红外光谱、粒径分析仪、热质分析仪和差示扫描量热法对乳液进行了表征, 实验表明, 该法制备得到的聚合乳液中尽量保留环氧基不开环, 后加固化剂使之开环产生交联作用能够提高材料的硬度、耐溶剂、耐水性等性能, 并且有较好的贮存稳定性, 能够用于水性木器涂料。

结束语

随着人们对生活环境要求的提高, 低碳环保型的环氧改性水性聚氨酯材料将会有十分广泛的应用前景, 为胶粘剂、涂料等行业提供更多的参考。

参考文献

[1]邓朝霞, 叶代勇, 黄洪, 等.环氧树脂改性水性聚氨酯的合成研究[J].功能材料, 2007, 38 (7) :1132-1135.

[2]陈维涛, 李树材.水性聚氨酯结构与微相分离的研究[J].涂料工业, 2005, 35 (6) :13-15.

[3]赖小娟, 李小瑞, 王磊.环氧改性水性聚氨酯乳液的制备及其膜性能[J].高分子学报, 2009 (11) :1107-1112.

[4]孙启龙, 黄少婵, 李建宗, 等.乙二胺扩链剂对水性聚氨酯性能的影响[J].中国胶粘剂, 2005, 10 (14) :1-5.

[5]朱延安, 张心亚, 阎虹, 等.环氧树脂改性水性聚氨酯乳液的制备[J].江苏大学学报:自然科学版, 2008, 29 (2) :164-168.

水性环氧 篇2

由于聚乙二醇具有螺旋结构和与环氧树脂化学相容性好等特点,本研究采用聚乙二醇6000与环氧树脂E20合成高分子非离子型乳化剂EP6,主要分析了合成过程中羟基和环氧基的不同比例对乳液和最终漆膜性能的影响以及乳化剂用量对乳液储存稳定性的影响。

1 实验部分

1.1 实验原料和仪器

聚乙二醇(PEG6000,化学纯),国药集团化学试剂有限公司;环氧树脂(E20,工业级),广州市东风化工实业有限公司;催化剂:实验室自制;水性固化剂(NH380,工业级),广州市东风化工实业有限公司;去离子水。

台式高速离心机(800型),上海手术器械厂;电动搅拌器(D-971型),常州澳华仪器有限公司;砂磨、分散、搅拌多用机(SF0.4型),中国常州彩宝机械有限公司。

1.2 涂膜的制备

将水性固化剂NH380与制备好的水性环氧乳液按一定比例进行混合,然后搅拌均匀混合物,最后使用涂布器将之涂布在预处理过的马口铁板上,使其在室温下固化。

1.3 乳化剂的制备

把配方中聚乙二醇和环氧树脂E20放入1000 mL的装有温度计、搅拌器和冷凝管的四口烧瓶里,在氮气保护中进行加热,温度达到110 ℃后,将物料进行搅拌,搅拌均匀后加入自制的催化剂,然后于(90±5) ℃进行恒温反应,经过一定时间后可制成乳化剂EP6[1]。

1.4 水性环氧乳液的制备

首先按比例把加热后的环氧树脂E44和乳化剂EP6放入2 L 的广口不锈钢釜里进行匀速搅拌,当体系温度为(60±5)℃时,边搅拌边缓慢地将蒸馏水滴入其中,直到体系黏度骤降,此时可判断其发生了相反转,体系连续相由环氧溶液相转为水相,持续进行一段时间快速搅拌之后再次加入蒸馏水,将其浓度稀释到一定程度后即制备完成[2]。

2 结果与讨论

2.1 EP6和 E44的结构表征

环氧树脂根据不同物质量比与聚乙二醇进行反应,可获得不同端环氧基共聚物或端羟基共聚物,反应方程式如式(1)、式(2)。

(1)

(2)

具备上述类型的分子结构的EP6乳化剂可由聚乙二醇及环氧树脂E20作为原料制备,环氧树脂E20及乳化剂的红外光谱如图1(乳化剂EP6(a)和环氧树脂E44(b)的红外光谱)。

从图1可获知在3400 cm-1附近,乳化剂曲线与环氧树脂E20曲线都出现了羟基吸收峰,然而在910 cm-1附近,环氧树脂E20曲线出现环氧基团吸收峰,乳化剂EP-PEG曲线则没有。该图示表明,环氧树脂E20的环氧基团与聚乙二醇羟基发生了较为完全的反应,得到端羟基乳化剂。

2.2 环氧基与羟基配比对乳液性能的影响

通过更改PEG6000与E20的n(羟基):n(环氧基)的配比而合成几种不同的乳化剂,然后制备固含量为50%的乳液,把水性固化剂NH380分别和这些乳液反应制备出涂膜,性能结果如表1。

从表1可看出,随着羟基增加时,涂膜硬度、附着力以及涂膜透明性都随之降低,环氧基的存在更有利于性能的提升,然而,当n(羟基):n(环氧基)=1.2:1时,所制的环氧乳液不仅稳定性较好,且其涂膜性能较之其它配比也更胜一筹。在此比例下合成的乳化剂具有良好平衡的亲水亲油性,使得环氧液滴中包含其亲环氧链段,在氢键作用之下,亲水基与水分子缔合,稳定环氧乳液。

当n(环氧基):n(羟基)大于1.2,可能导致乳化剂分子链两端是环氧基团,环氧基团中的亲油性太过强大,减弱乳化剂分子醚链段和水的亲水作用,降低了乳化效果,使乳液稳定性差。

当n(环氧基):n(羟基)小于1.2,羟基亲水性过高,将导致水相中存在大部分胶束形式的乳化剂,从而影响乳化作用,乳液稳定性差。

2.3 乳化剂的用量对乳液性能的影响

我们将PEG6000与E20作为原料,按照n(羟基):n(环氧基)=1:1.2的比例合成乳化剂。而后通过改变乳化剂用量制得不同的乳液,考察乳化剂用量对乳液稳定性及涂膜性能的影响,结果如表2。

备注:□优;△良;●差。

从表2可知,当乳化剂用量极低,比如只达到6%的时,乳液稳定性差,将其放在室温下24 h后即会分层。当乳化剂用量达到12%时,则乳液稳定性好,使用离心机以3000 r/min转0.5 h也不会发生破乳或分层现象。

相反转机理可以解释该现象。如乳化剂用量小于6%时,乳液稳定性将跟随乳化剂用量的增加而提高[3]。当对体系刚刚滴加水进行乳化时,体系中水含量稀少,然后水滴表面将被乳化剂分子覆盖并形成界面膜,这时水滴间吸引力将小于水滴间排斥力,保持水滴具有恒定的大小,持续加入水滴,水滴体积增加,水滴间距缩短,当达到临界状态时,原本散布于油相中的水滴将经过融合变为连续相,其上属体系也将变成水包油型乳液[4]。

如乳化剂用量少于6%,乳化剂分子无法及时在体系增加水含量时将水滴进行包覆形成界面膜,在剪切作用之下,原本的小水滴经过互相碰撞变成大水滴,当相反转发生时,环氧树脂分散相会有未融合成连续相的小水滴被固定在其中,构成油包水型乳液,该乳液分散相微粒尺寸大,稳定性差,为不完全相反转。

如乳化剂用量为正常标准如12%,充足的乳化剂分子可在体系发生相反转前将包覆起水滴表面,分散相液滴尺寸恒定得以维持在低水平,构成水包油型乳液,稳定性好,为完全相反转。

如乳化剂用量大于12%,体系发生相反转时,因环氧树脂连续相中有过多乳化剂分子,其中一部分在过程进行中无法及时的与水相进行融合,未能及时融合的乳化剂分子在水相中将以胶束形式存在,已乳化的分散相粒子不会因其关系再乳化,最终变为被包覆在双层乳化剂分子中的环氧树脂粒子,乳液稳定性并没因为乳化剂用量的加大而获得提高。

3 结 语

目前国内比较常用的水性环氧乳液的合成基本都采用相反转法,而乳化剂的合成和选用对乳液的稳定性和漆膜的各项性能起着至关重要的作用,笔者在90(±5)℃温度范围内,用原料PEG6000和E20按n(羟基):n(环氧基)=1:1.2合成高分子非离子型乳化剂,用该高效乳化剂制备稳定的水性环氧乳液,结果显示,当乳化剂用量为12%时乳液的各项稳定性测试均最佳,在实际的生产中我们发现,贮存2年后乳液也不发生分层和平均粒径变粗的现象。

摘要:在(90±5)℃温度范围内,原料PEG6000和E20按n(羟基)∶n(环氧基)=1∶1.2合成高分子非离子型乳化剂EP6,用该乳化剂通过相反转法制备稳定的水性环氧乳液,当乳化剂用量为12%时构成水包油型乳液,为完全相反转,乳液各项稳定性最好。

关键词:水性环氧乳液,合成乳化剂,相反转,乳液稳定性

参考文献

[1]施文磊,张道洪,井丰喜,等.一种水性环氧树脂乳液的制备方法[P].201210118774,2012-8-8.

[2]胡登华,官仕龙,陈协,等.水性环氧树脂的研究进展[J].武汉工程大学学报,2011(10):13-16.

[3]张雪芳,高俊刚,吕红秋.相反转法制备水性环氧树脂及其固化动力学[J].高分子材料科学与工程,2012(7):56-70.

超声波制备水性环氧树脂乳液 篇3

目前环氧树脂水性化技术有如下4种:机械法、相反转法、固化剂改性法以及自乳化法[1]。其中相反转法即将一定比例的环氧树脂和乳化剂在高速搅拌下混匀, 然后逐渐地滴加水, 当滴加水量达到某一数值时, 体系发生相转变, 从油包水 (W/O) 型变成水包油 (O/W) 型[2]。朱彦[3]等将环氧树脂E20和聚乙二醇10000反应制得高分子非离子型乳化剂, 并将该乳化剂用于E20的水性化, 结果实现了相反转;Kojima[4]等以丙烯酸树脂为乳化剂;王进[5]等以聚乙二醇-邻苯二甲酸酐-环氧树脂E44多元嵌段共聚体为乳化剂;陈永[6]等以自制端甲氧基聚乙二醇-马来酸酐-E44多元嵌段共聚体为乳化剂, 通过相反转法分别制备了相应的环氧树脂乳液;何青峰[7]等采用环氧树脂与聚乙二醇反应合成高分子非离子型乳化剂;倪维良[8,9]等分别采用环氧树脂E51和聚乙二醇改性的环氧树脂E51与二乙醇胺反应合成高分子离子型乳化剂, 通过相反转法, 制得相应的环氧树脂乳液。本文使用传统的乳化剂, 在超声波下转相制备出水性环氧树脂乳液, 工艺简单, 成本低, 设备易于清洗, 乳液储存稳定性较好, 适用于制备水性环氧树脂涂料和水性环氧树脂混凝土, 应用前景较广。

1 实验部分

1.1 主要试剂及仪器

环氧树脂E51, 工业级, 南通星辰合成材料有限公司;十二烷基硫酸钠 (SDS) , 分析纯, 上海久亿化学试剂有限公司;辛烷基酚聚氧乙烯 (4) 醚 (OP-4) , 辛烷基酚聚氧乙烯 (10) 醚 (OP-10) , 脂肪醇聚氧乙烯 (9) 醚 (AEO-9) , 聚氧乙烯去水山梨醇单月桂酸酯 (Tween20) , 失水山梨醇单月桂酸酯 (Span20) , 失水山梨醇单硬脂酸酯 (Span60) , 失水山梨醇单油酸酯 (Span80) , 均工业级, 市售;LD24-0.8离心机, 北京医用离心机厂;KQ-250B型超声波清洗器, 昆山市超声仪器有限公司;BME-100L型高剪切混合乳化剂, 上海威宇机电制造有限公司。

1.2 水性环氧树脂乳液的制备

将E51倒入1000m L烧杯中, 并水浴加热到70℃, 之后放入超声仪中, 在6000r/min高剪切机下加入OP-10, Tween20和SDS, 约5min后开始滴加热水, 并保持烧杯内的温度约70℃, 转相时停止滴加水, 剪切10~20min后滴加剩余的水, 水滴加完成后再高速剪切20min, 制得水性环氧树脂乳液, 实验中通过超声仪的水浴控制乳化体系温度。

2 结果与讨论

2.1 HLB温度对乳液稳定性的影响

HLB温度又称相转变温度, 本实验探讨了在30℃, 50℃, 70℃和90℃的温度条件下所制备乳液的稳定性。结果表明当乳化温度在70℃左右时, 所制备乳液的稳定性最好, 而且在90℃时水分挥发较多。此外, E51为粘稠液体, 温度升高使其粘度下降, 进而有利于同乳化剂和水混合均匀, 形成较好的W/O和O/W体系。

2.2 不同HLB值对乳液稳定性的影响

HLB值表示乳化剂亲水性或亲油性的能力, HLB值大体上符合质量分数加和规则, 一般单一乳化剂难以达到理想的乳化效果, 此时就需要对不同的乳化剂进行复配。本实验通过对不同HLB值的乳化剂进行复配, 乳化剂用量为树脂质量的6%~7%, 加水量为175ml, 乳化温度为70℃, 未超声条件下, 静置24h和1周, 观察乳液分水情况, 以探讨不同HLB值条件下乳液的稳定性。

从表1可以看出, 在HLB值小于15情况下, 所制备水性环氧树脂乳液不稳定, 静置1周即有大量的水分出, HLB值为15~16时分水量减少, 而在17~18时则没有水分出, 所制备的乳液较稳定;在表2中, 当采用OP-10、Tween20和SDS三种乳化剂复配时, 所制备的乳液稳定性最好, 静置3周也没有水分出。

2.3 乳化剂用量对乳液稳定性的影响

实验中选用OP-10、Tween20和SDS复配体系, 探讨了乳化剂用量对乳液稳定性的影响, 结果如表3所示。当乳化剂的用量占环氧树脂质量5%及以下时, 乳液的稳定性较差, 有比较明显的分层现象。从表3中可看出, 选择乳化剂用量为6%~7%, 乳液较稳定。

2.4 加水量对乳液稳定性的影响

本实验采用OP-10, Tween20和SDS复配体系, 乳化剂用量为树脂质量的6.5%, 探讨不同加水量对乳液稳定性的影响, 结果表明加水量在150~175ml时, 乳液稳定性较好, 从经济角度考虑以175ml为宜, 即含水量约占乳液总质量的36%左右时, 乳液稳定性最佳, 结果如表4所示。

2.5 超声波对乳液稳定性的影响

超声波的机械作用使被乳化液体产生高频振荡, 而空化作用使其受到高频压缩和膨胀, 导致乳液不间断地形成微小气泡并随即破裂, 产生巨大冲击波, 使油水两相变得更细小, 进而形成颗粒细微的W/O和O/W乳液。

实验中对比了在超声波条件下和没有超声波条件下进行乳化, 所制备乳液在3000r/min下离心30min的分水情况。结果表明在超声波条件下, 乳液分水明显降低, 显著改善了乳液的稳定性。在超声波条件下制备的乳液各项指标如表5所示, 所制备的乳液储存6个月无异常, 而没有进行超声的乳液储存6个月出现聚结现象。

3 结论

(1) 乳化温度在70℃左右, HLB值为17左右时, 所制备乳液的稳定性较好, 并且超声波作用使乳液稳定性显著增加。

(2) 以OP-10, Tween20和SDS的复配体系, 乳化剂用量为环氧树脂质量的6%~7%, 加水量约为乳液总质量的36%, 在高剪切、超声波作用下所制备的水性环氧树脂乳液最稳定, 可以室温 (5℃以上) 稳定储存6个月。

参考文献

[1]梁凤飞, 陈立新, 赵慧欣.水性环氧树脂制备的研究进展[J].中国胶黏剂, 2011 (5) :52-55.

[2]涂伟平.水性涂料[M].北京:化学工业出版社, 2008.

[3]朱彦, 杨振忠, 赵得禄.乳化剂分子亲水组分含量对相反转乳化过程的影响[J].高等学校化学学报, 2000 (2) :327-329.

[4]Kojima S, Watanable Y.Development of high performance waterborne coating (partⅠ) :Emulsification epoxy resion[J].Polymer English Science, 1993 (5) :253-259.

[5]王进, 杜宗良, 李瑞霞, 等.环氧树脂水基分散体系的相反转乳化[J].功能高分子学报, 2000 (13) :141-144.

[6]陈永, 杨树, 袁金芳, 等.水性环氧树脂的研制及其固化性能研究[J].化学研究与应用, 2006 (1) :32-36.

[7]何青峰, 陈志明.水性环氧乳化剂合成与乳液制备工艺探讨[J].化学反应工程与工艺, 2004 (3) :255-259.

[8]倪维良, 柳云骐, 陈克磊.水性环氧树脂专用乳化剂的制备及性能研究[J].涂料工业, 2010 (12) :61-64.

水性环氧树脂乳液的制备与应用 篇4

环氧树脂具有粘结性好、固化收缩率低、机械强度高及良好的耐腐蚀、耐溶剂等性能,在建筑材料方面应用广泛[1,2,3],如建筑涂料、防水材料、地坪漆、建筑防腐材料等。传统溶剂型环氧树脂由于含有大量VOC,对环境和人体健康造成负面影响,随着人们环保意识的增强和国家相关法律法规的颁布,以水为分散介质的水性环氧树脂得到了越来越广泛的关注和发展。

水性环氧树脂的制备方法大致可以分为机械法、相反转法、自乳化法等[4,5,6,7,8]。其中机械法制备的水性环氧树脂乳液粒径大,稳定性差;而自乳化法制备水性环氧树脂的成本高,工艺复杂;相反转法是制备高分子乳液常用的方法,利用乳化剂与树脂混合并逐渐加水的工艺使体系由油包水状态转变为水包油状态。相反转法制备的乳液稳定性好,工艺简单,利于产业化,但传统乳化剂的加入会使涂膜的耐水性下降,影响涂膜的整体性能;以反应型乳化剂代替传统乳化剂,通过乳化剂在成膜过程中参与反应,从而克服了相反转法制备乳液时由于乳化剂的存在而导致涂膜耐水性差的缺陷。

本文采用甲基纳迪克酸酐、聚乙二醇、环氧树脂合成反应型环氧乳化剂,利用相反转法制备水性环氧树脂乳液,并对乳化工艺进行了研究,通过配方调整制备清漆,并对涂膜性能进行了测试。

1 试 验

1.1 原材料及主要仪器设备

甲基纳迪克酸酐(MNA)、三氟化硼乙醚:分析纯,上海凌峰化学试剂有限公司;聚乙二醇(PEG):分析纯,国药集团化学试剂有限公司;环氧树脂:E-51,工业品,无锡树脂厂;改性胺固化剂:工业品,市售。

恒温水(油)浴锅ZKYY,索韦(上海)科技有限公司;电动搅拌器GZ-120S,杭州仪表电动厂;离心机80-2B,长沙东旺实验室仪器有限公司;激光粒度仪Mastersizer 3000,NICO-LET公司。

1.2 反应型乳化剂的合成

在250 ml三口烧瓶中加入一定量的甲基纳迪克酸酐、聚乙二醇、三氟化硼乙醚溶液、环氧树脂,按一定的实验条件合成反应型乳化剂。

1.3 水性环氧树脂乳液的制备

将自制反应型乳化剂与环氧树脂E-51混合,按一定的乳化工艺制备固含量为50%的水性环氧树脂乳液。

1.4 清漆的制备

将自制水性环氧树脂乳液与市售改性胺固化剂助剂按一定的比例混合制备清漆。

1.5 性能测试与表征

1.5.1乳液稳定性测试

(1)机械稳定性

取一定量的水性环氧树脂乳液于离心管中,转速为3000r/min,离心30 min,观察乳液是否分层。

(2)冻融稳定性

将10 g乳液放置于15 ml的塑料瓶中,在(-20±1)℃的冰箱中冷冻16 h,再于30℃放置6 h,为1次循环,如此循环5次,观察乳液是否破乳。

(3)高温稳定性

将50 g乳液装入测试瓶中,60℃保持5 d,观察乳液是否破乳。

(4)稀释稳定性

将乳液稀释到固含量3%,再把30 ml稀释后的乳液加入试管中,液柱高为20 cm,放置72 h,观察乳液是否分层。

1.5.2乳液粒径及其分布

利用激光粒度分布仪测试乳液粒径及其分布。

1.6 涂膜性能测试

涂膜制备按GB/T 1727—1992《漆膜一般制备法》进行;干燥时间按GB/T 1728—1979《漆膜腻子膜干燥时间测定法》进行测试,其中表干按乙法、实干按甲法进行测试;硬度按GB/T 6739—2006《色漆和清漆铅笔法测定漆膜硬度》进行测试;附着力按GB/T 9286—1998《色漆和清漆漆膜的划格试验》进行测试;耐冲击性按GB/T 1732—1993《漆膜耐冲击测定法》进行测试;耐水性按GB/T 1733—1993《漆膜耐水性测定法》中甲法进行测试;耐化学性能按GB/T 9274—1988《色漆和清漆耐液体介质的测定》中甲法进行测试;耐磨性按GB/T1768—2006《色漆和清漆耐磨性的测定旋转橡胶砂轮法》进行测试。

2 结果与讨论

2.1 HBL 值对乳液稳定性的影响

乳化剂的HBL值体现了乳化剂的亲水亲油性,不同的HBL对乳化效果影响很大,本实验中乳化剂HBL值主要由聚乙二醇的分子质量决定,HBL值对乳液稳定性的影响见表1。

由表1可见,当乳化剂HBL值为16.7时,乳液的稳定性最好,HBL值增大或减小都会造成乳液稳定性的下降。当HBL值小时,说明乳化剂分子中的亲水基少,乳化剂分子与水分子直接的氢键缔合作用减弱,从而导致乳液稳定性较差;当HBL值大时,形成乳化剂分子中的亲水基增多,乳化剂分子间的相互作用增强,界面膜的排斥力相应减弱,粒子易团聚,从而导致乳液稳定性差,同时,HBL值增大时,乳化剂分子的亲油链段减少,会导致与环氧树脂间的作用力减弱,乳液稳定性变差。

2.2 乳化温度对乳液稳定性的影响(见表 2)

由表2可见,乳液稳定性随乳化温度的升高先提高后降低,这是由于温度升高乳化剂的活性增大,同时环氧树脂的黏度会降低,有利于与乳化剂的混合,乳液稳定性好;但温度过高时乳液的稳定性降低,因为当温度升到一定程度后,乳化剂与水分子之间形成的氢键作用会减弱,从而导致乳液不稳定。本实验中60℃时乳液稳定性最佳,因此乳化的最佳温度为60℃。

2.3 乳化剂用量对乳液稳定性的影响(见表 3)

由表3可见,随着乳化剂用量的增加,乳液的稳定性提高,当乳化剂用量(以环氧树脂E-51用量为基准)达到20%时,再提高乳化剂的用量对乳液的稳定性影响不大,而乳化剂用量过多,可能会影响涂膜的性能,因此,乳化剂的最佳用量为20%。

乳化剂用量对乳液稳定性的影响可以用相反转法的原理来解释[4,9]。在相反转过程前期,体系中的水量少,体系是油包水型,乳化剂分子会将水滴包覆,形成氢键,并形成一定强度的界面膜,水滴之间的排斥力占主导作用,使水滴保持在较小的尺寸,随着水滴的不断加入,含水量的增加,水滴的体积会不断增大,同时水滴的间距会减小,水滴间的吸引力逐渐处于主导地位,在发生相反转的临界状态时,水滴会结合成为连续相,此时的体系为水包油型。当乳化剂的用量少时,没有足够的乳化剂将体系中的水滴包覆,导致界面膜的强度降低,水滴间的排斥力减弱,同时未被包覆的水滴会在剪切作用下相互结合,提前形成连续相,发生相反转时,分散相内水滴来不及与连续相结合而被固定在其内,形成W/O/W结构,分散相粒径大,乳液稳定性差;乳化剂用量过多时,一部分存在于分散相中,一部分存在于水中形成胶束,对乳液的稳定性不再有提高。

2.4 搅拌速率对乳液稳定性的影响(见表 4)

由表4可见,制备乳液时的搅拌速率过快或过慢都会导致乳液稳定性降低,当搅拌速率过慢时,滴加的水不易被剪切成更小的水滴而被乳化剂分子所包覆,形成大水滴而导致提前出现水连续相,同时乳化剂与环氧树脂不能很好相溶,导致乳液的稳定性差;当搅拌速度过快时,容易破坏界面膜,使粒子易碰撞团聚,造成乳液稳定性差。本实验中当转速为1500r/min时,乳液的稳定性最好。

2.5 乳液粒径分析

按照最佳乳化工艺:乳化剂HBL值16.7,乳化温度60 ℃, 乳化剂用量20%,搅拌速率1500 r/min制备乳液,对乳液粒径进行分析,结果见图1。

由图1可知,所制备的水性环氧树脂乳液的粒径分布较窄,平均粒径为358.4 nm(PDI=0.156),小于相反转法制备水性环氧树脂乳液平均分散相粒径1~2μm。乳液的粒径大小及其分布通常能够反映乳液的稳定性,由此可以说明,自制反应型乳化剂的乳化效果较好,乳化条件的选择是合适可行的。

2.6 乳液性能(见表 5)

2.7 涂膜的性能

将环氧树脂乳液与市售胺固化剂按环氧当量∶胺氢当量=1∶1制备清漆并涂膜,涂膜的性能测试结果见表6。

注:1750 g/500 r;2干摩擦系数。

3结语

(1)利用自制反应型乳化剂,按最佳最乳化工艺:HBL值16.7,乳化温度60 ℃,乳化剂含量20%,搅拌速率1500 r/min制备的水性环氧树脂乳液,粒径为358.4 nm,粒径分布较窄。

(2)将自制乳液与市售胺固化剂按一定比例混合制备清漆并涂膜,该涂膜性能优异。

摘要:采用自制反应型乳化剂,通过相反转法制备水性环氧树脂乳液,探讨了最佳的乳化工艺。试验结果表明,最佳乳化工艺为:HBL值16.7,乳化温度60℃,乳化剂含量20%,搅拌速率1500 r/min。经测试,合成乳液的粒径为358.4 nm,粒径分布窄;涂膜性能优异。

环氧树脂水性化技术与研究进展 篇5

环氧树脂是一种在分子中含有两个或两个以上活性环氧基的低聚物, 相对分子量为300~2000之间, 它只有在合适的固化剂作用下形成立体网状的交联结构才具有使用价值。环氧树脂固化物以其优异的粘接性、较高的机械强度、良好的电气绝缘性以及耐腐蚀性等性能广泛应用于粘接剂、复合材料以及涂料领域。

环氧树脂胶是一种用途极其广泛的胶粘剂和纤维浸渍剂。它作为非极性油溶性树脂, 不溶于水, 溶于酮和醚类有机溶剂, 在使用时有机溶剂的挥发性对环境和人体有害, 而且用量较大, 价格相对较高。随着时代的发展, 对环氧树脂胶的要求越来越高。首先, 为适应环保要求, 要无污染, 对操作人员无毒无刺激性气味;为适应现代工业发展, 要求生产效率高, 使用简便;为适应市场竞争, 要求低成本、低价格等。水性环氧树脂正是适应上述要求应运而生的。国外20世纪70年代开始研究开发水性环氧树脂产品, 经历了三个阶段, 现在已经产品系列化及工业化。第一代产品是直接用乳化剂进行乳化;第二代是采用水溶性固化剂乳化油溶性环氧树脂;第三代是由美国壳牌开发以及安邦公司开发的环氧树脂和固化剂都接上非离子型表面活性剂, 该体系储存稳定性好, 除具有硬度高、附着力好、耐水性佳、耐腐蚀性优良等特点外, 其VOC含量远远小于国家标准限定含量, 是一种真正的水性、环保型绿色高性能产品。我国国内研究起步于20世纪90年代后, 目前处于国外第二代产品的研究和试制阶段还没有规模化。

2 环氧树脂水性化途径

2.1 水性化工艺路线方法

水性环氧树脂从制备工艺路线可分为机械法、相反转法和化学法。机械法就是将固体环氧树脂预先磨成微米级的环氧树脂, 加入乳化剂的水溶液, 通过机械高速搅拌将粒子分散在水中;也可以将环氧树脂和乳化剂直接混合, 加热到适当的温度后进行机械搅拌, 搅拌过程中逐渐加水, 形成乳液;相反转法是比机械法更有效的将树脂制成乳液的方法, 该方法通过加入改性的非离子型表面活性剂 (乳化剂) 通过物理乳化的方法将聚合物树脂从油包水状态转变成水包油状态;化学法通过对环氧树脂分子或固化剂进行改性, 引入亲水基团, 使环氧树脂和固化剂本身具有乳化剂的特性, 不用外加乳化剂即能分散于水中。三种工艺方法制备的水性环氧树脂性能如表1。

2.2 水性化技术路线方法

从水性化技术的方法上可分为外加乳化剂和自乳化两种。机械法和相反转法是外加乳化剂法, 化学法是自乳化方法。自乳化是水性环氧树脂发展的最新阶段, 尽管工艺程序复杂, 合成成本较高, 但它是在树脂基或固化剂本身引入具有乳化功能的基团, 即亲水基团, 是树脂或固化剂成为能溶于水又溶于油的双基物质。这种水性环氧树脂是相对均一的水相体系。

2.2.1 自乳型环氧树脂

自乳型环氧树脂根据引进的亲水基不同可分为阴离子型、阳离子型和非离子型。阴离子型就是在环氧树脂分子链中引入阴离子基团, 把环氧树脂改性为含富酸基团的树脂, 再用碱中和成盐, 中和成盐后的环氧树脂就能溶于水了;阳离子型就是在环氧树脂分子链上引入富碱基团, 再用弱酸中和成盐成为水溶性;非离子型就是在环氧树脂分子链上引入非离子基团亲水基。自乳型环氧树脂水性化的技术特点如表2。

2.2.2 自乳型固化剂

固化剂和环氧树脂的相容性在水性环氧树脂体系中非常重要。水性环氧树脂体系固化剂通常是胺类固化剂。而普通的胺类固化剂如脂肪胺类、芳香胺和脂环胺都无法要同时满足相容性和亲水性要求, 通常采用其改性产品。

(1) 脂肪胺类固化剂

脂肪胺为多烯多胺和二元胺。改性产物是酰胺化的多胺、聚酰胺和环氧-多胺加成物。方法是将脂肪胺固化剂进行扩链、接枝、成盐, 在分子中引入非极性基团, 从而改善它们与环氧树脂的相容性, 使其既具有交联剂又具有乳化剂的功能。目前使用较多的改性多胺固化剂是环氧-多胺加成物, 制备方法有以下两种:第一种是采用多乙烯多胺与单环氧或多环氧化合物加成, 进行伯胺氢封端, 然后再与双酚A环氧加成, 达到适当的亲水亲油平衡值后, 再与甲醛反应进一步将伯胺氢羟甲基化。第二种是在多胺过量的情况下与双酚A环氧加成, 然后以脂肪族单环氧或芳香族单环氧进行伯胺氢封端, 合成后用水或水溶性有机溶剂稀释, 最后加成物用醋酸中和部分的伯胺氢。

(2) 芳香胺类固化剂

常用的芳香胺为间苯二胺。芳香胺在疏水性上比脂肪胺要好, 但亲水性较差, 因此芳香胺改性集中在:亲水性、降低伯胺活性和相容性上。改性方法是用环氧和过量间苯二胺反应生成端氨基中间产物, 再与端羧基聚醚醇反应生成酰胺-胺, 最后封端。

(3) 脂环多胺类固化剂

脂环多胺与环氧树脂反应的施工期长, 是多烯多胺固化剂的1.5倍, 因此可以延长产品的适应期。改性的方法分两步进行。第一步:水溶性聚合物与偶联剂反应, 留下一个官能团用来进一步反应。第二步:用过量的脂环多胺参与反应, 将小部分 (10%) 的脂环多胺接到非离子表面活性剂上, 而剩下的未反应的脂环多胺和环氧树脂混合时, 随同一起被固化剂乳化。常用的偶联剂为二聚脂肪酸。

结束语

水性环氧树脂有利于环境保护和节约能源的特点将使其不断扩大生产, 并逐渐替代传统溶剂型环氧树脂, 毫无疑问将成为环氧树脂的主流产品。开发满足不同需求的适用型水性环氧产品具有极为诱人的发展前景, 将会带来显著的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]马承银.新型水性环氧树脂的合成研究[J].广州化学, 2005, 9:6-10.

[2]马承银.水性环氧树脂的制备和固化机理的探讨[J].高分子通报, 2006, 1:28-32.

[3]周继亮.环氧树脂的水性化技术与研究进展[J].粘接, 2007, 6:40-42.

[4]孟祥玲.水性环氧树脂的研究进展[J].材料导报, 2006, 11:384-386.

水性环氧 篇6

1. 实验部分

1.1 实验材料

乳化沥青为自制的阳离子型乳化沥青。通过固化剂改性的方法自制水性环氧树脂改性剂, 制作方法为将环氧树脂和固化剂乳液放入容器中, 用搅拌器在400r/min速率下搅拌15min, 即可制作成均匀的水性氧化树脂。

1.2 水性环氧树脂改性乳化沥青的配制

将乳化沥青和水性环氧树脂乳液以及固化剂按照一定的比例进行混合, 边混合边均匀搅拌。在混合搅拌之前要先加入一定量的水, 这样可以提高乳化沥青对水性环氧树脂的吸附性和可搅拌性, 要注意严格控制加入水的量, 使得加水搅拌后材料的表面呈湿润状态。强力作用会加快乳化沥青的破乳速度, 用力地搅拌也会对乳化沥青造成一定的破坏, 因此搅拌时, 要注意速度和力度, 时间一般为加入乳化沥青后60s。由于固化剂水性环氧树脂体系中, 环氧树脂表面被覆的一层固化剂经过改性后, 其分子结构可以看作是高分子表面活性剂, 当水性环氧树脂的掺量较低的时候, 同一个水性环氧树脂可以吸附不同的乳化沥青, 从而使得乳化沥青之间产生接连的效应。当环氧树脂的掺量逐渐增加时环氧树脂会发生局部的絮凝, 甚至形成局部的网状结构, 对沥青粒子起到了局限的作用, 减少其沉降速率, 这样稳定性会相应地增加。

2. 性能测试及分析

2.1 水性环氧树脂对乳化沥青黏度的影响

在室温养生条件下, 制备不同水性环氧树脂掺量下的乳化沥青混合材料, 对其黏度进行检测。氧化树脂的掺量会影响混合材料的黏度, 在刚开始时, 当水性氧化树脂的掺量较低时, 对乳化沥青的影响微乎其微, 但是随着水性环氧树脂掺量的增加, 乳化沥青混合材料的黏度逐渐提高, 依据研究数据显示水性环氧树脂的掺量对乳化沥青有显著影响。水性氧化树脂在固化过程中, 固化物可以与多个乳化沥青粒子相结合, 这样就可以形成复合物, 使得沥青微粒的沉降速度大大降低, 并且环氧树脂之间也会絮凝, 形成局部网状结构, 对乳化沥青起到了局限的作用。环氧树脂固化物中的环氧基团可以和石料表面的硅羟键发生键合作用, 增加了乳化沥青和石料之间的粘附性和稳固性。再者, 固化物的表面有的基团, 可以和石料中的基团相互吸引, 形成复合物, 增加了和石料之间的黏度。而且水性环氧树脂表面也带有电荷, 可以强化上述两者之间的紧密结合。增加了沥青的粘附性, 可考虑将改性的乳化沥青用作粘层。

2.2 水性环氧树脂对乳化沥青冻融劈裂强度的影响

对不同水性环氧树脂掺量下的乳化沥青混合料进行冻融劈裂强度试验, 通过检测其水稳定性来测试其黏度。经过实验得知随着水性环氧树脂掺量的增加, 乳化沥青混合材料的冻融劈裂强度也逐渐提高。因为乳化沥青混合材料的冻融劈裂强度指标能够有效准确地反映混凝土的稳定性, 而且在一定程度上也能够反映材料的黏聚力, 因此该实验数据表明水性氧化树脂改性的乳化沥青, 其黏聚力大大提高, 其内在原因是水性氧化树脂提高了混凝土中材料的吸附力。从而增加了混凝土的黏聚力。氧化树脂的凝固可封住缝隙渗入到底层, 又可以利用树脂的黏性来增强新旧混凝土之间的吸引力。水性环氧树脂乳液可以均匀地浸润到混凝土中, 进而来弥补因为混凝土的分布不均而形成的缝隙和断裂等问题, 增加混凝土内部的黏聚力, 使得混凝土在内部形成一个强大又牢固的整体。就可以防止路面因为交通车流量过大, 超载负荷过重造成的道路损坏问题。从而起到对路面的防护作用。

2.3 水性环氧树脂改性乳化沥青的道路应用

近年来, 交通运输事业蓬勃发展, 城市的大街小巷都穿梭者各种私家车, 公交车, 那么相应的公路、桥梁的维修问题日益受到人们的重视。许多未达到寿命的路面、桥梁都出现了坍塌和破损的现象, 这不仅给人们的交通出行带来不便, 更增加了人们出行的风险。因此, 提高路面的质量和维护问题, 就显得尤为重要。水性氧化树脂是一种无特殊气味的、对人们身体健康无害的、可用水清洗的灌缝材料。将其增加到乳化沥青中, 可增加沥青的作用, 而不增加环境、经济各方面的负担。

通过改变水性氧化树脂在乳化沥青中的所占比例, 可分析出水性氧化树脂改性乳化沥青的道路功能指标, 可观测到在加入水性氧化树脂以后, 路面的性能指标得到明显的提高。

3. 水性环氧树脂改性乳化沥青用作粘层

粘层指的是为了加强道路沥青层之间, 沥青层与混凝土面之间的黏结而放置的一薄薄沥青层。粘层主要起黏结的作用, 用水性环氧树脂改性的乳化沥青, 其黏度比以往的沥青大大增加, 因为沥青在材料的选择上也主要集中在黏结度方面, 所以在这方面有较大的改善。粘层使各层面之间、层面与构造物粘结成一个小团体。在许多结构上均应该均匀地涂撒上粘层。不管是新的沥青路面, 或者是旧的沥青路面, 粘层沥青并不会深入到下层或者浸润到上层, 其只是局限地存在于层面与层面之间或者层面与构造物之间, 形成薄薄的一层沥青。从而增加上下两层之间的黏聚力, 防止新建的层面出现移动。由于改性的乳化沥青其黏聚力较乳化沥青更为强大, 因此其更适合作为粘层。改性的乳化沥青大大地适用, 将会使得路面更加稳固, 较少路面损坏情况, 起到修护和保养的作用。尽管乳化沥青应用于国内以及国外的各个路面, 但是乳化沥青仍然存在着自身的缺陷。并且这些缺陷是不容忽视的, 例如其在搅拌过程中就有可能导致破乳, 这对于道路质量和施工的进度都会产生极大地困扰。并且由于其黏度的限制, 可使路面出现断层或者滑移, 引起路面早期破损。对道路的质量以及人们的出行安全都带来不便。因此开发改性的乳化沥青, 增加黏度, 提高道路质量迫在眉睫。更加说明了水性氧化树脂改性的乳化沥青的用途是不可估量的。改性的乳化沥青在粘层的应用, 会增加道路的质量和适用的年限、减少维修次数, 是非常可行的。

结语

水性环氧树脂是一种很好的建筑材料和乳化沥青的改性材料, 加入后乳化沥青的抗压、抗磨、抗裂、抗折、强度、黏度都会有不同程度地增加。能够满足路面短时间内的抗破损要求, 保证道路的使用年限, 能够耐受较大强度的路面通车情况。水性氧化树脂改性乳化沥青, 主要是由乳化剂、沥青和水组成, 本文采用阳离子乳化剂制备的沥青, 其本身的稳定性以及黏度较好。水性的氧化树脂在改性其他材料的同时, 保持自身良好的黏聚能力, 增加了其他材料的黏聚力, 也正因为其这个特点, 使其能够更好地与其他材料结合。经过改性的乳化沥青作为粘层, 在乳化沥青的基础上增加了黏聚作用, 更牢固地与上下层面结合。增加路面的稳定性, 延长道路的适用年限。随着水性氧化树脂的加入, 乳化沥青混合材料的冻融劈裂强度能够显著地提高, 说明水性环氧树脂的加入对乳化沥青的水稳定性和黏度都有提高。

参考文献

[1]韦星船, 邓妮, 任保川, 等.有机硅改性紫外光固化水性环氧衣康酸树脂的制备及性能研究[J].电镀与涂饰, 2016 (6) :275-280+339.

[2]常艳婷, 陈忠达, 张震, 等.环氧乳化沥青粘层剪切疲劳性能[J].江苏大学学报 (自然科学版) , 2016 (3) :342-346.

[3]袁世刚.水性环氧树脂改性乳化沥青试验研究[J].市政技术, 2016 (2) :189-192.

[4]张庆, 郝培文, 白正宇.水性环氧树脂改性乳化沥青性能表征及机理研究[J].公路工程, 2016 (2) :109-112.

水性环氧 篇7

1 环氧树脂的性能简介

环氧树脂是常用的热固性树脂, 在热固性树脂中的用量比较大, 而且应用比较广泛。在环氧树脂中含有独特的环氧基、羟基以及醚键等活性基团, 所以能够表现出优异的性能。环氧树脂具有许多种类, 而且性能各异, 还具有非常多的改性剂、促进剂、添加剂等, 可以组成多种组合, 从而得到性能不同的环氧固化体系, 能够满足各种性能和工艺的要求[1]。

环氧树脂具有良好的力学性能, 其分子结构紧密, 具有非常强的内聚力, 其力学性能比不饱和的聚酯树脂、酚醛树脂等热固性树脂优良的多。而且还具有黏结强度高, 粘接性能优异等优点, 其中含有的羟基、环氧基、醚键等具有比较大的活性, 决定了其良好的黏接强度, 可以用来作为结构胶。对于大部分金属和非金属材料都具有良好的粘接性, 例如木材、玻璃、陶瓷等。但是大部分环氧树脂都不能溶于水, 对环境有比较大的危害, 给其施工、运输以及存储等都带来了不便, 因此用水来作为溶剂的水性环氧树脂受到了人们的重视[2]。水性环氧树脂不但对环境比较友好, 而且可以在潮湿的界面上施工, 而且使用简单, 对于施工环境的要求不高, 便于清洗、存储等优点, 因此成为了环氧树脂发展的主要方向。

环氧树脂的分子结构中含有羟基、环氧基以及醚键等基团, 从而表现出了一系列优异的物理性能, 例如具有良好的绝缘性能和机械性能以及耐化学性能等, 在复合材料基体、胶粘剂、涂料等方面得到了广泛的应用。为了进一步的提高其使用性能, 降低环氧树脂材料对于环境的危害, 加强其水溶性研究非常重要。环氧树脂的水性改善是在环氧树脂的大分子上加入强的亲水基团, 然后使其具有自乳化和水溶性的功能, 常见的水性改性剂有羟基、氨基、羧基等化合反应[3]。对环氧树脂水性化的重要方法是成盐的方法, 在其分子的骨架上引入极性基团, 然后使其亲水因子在水中分散。具体的操作中可以先把环氧树脂变成含有碱基团的树脂, 然后利用碱或者酸来中和成为盐来水性化的方法。其中利用碱中和的方法应用的比较多, 如:利用不包含的脂肪酸、丙烯酸类单体和聚合物等化合物, 其次还可以利用二元酸和环氧树脂上的双键进行加成反应, 最后用碱来中和成为盐, 最终得到水性环氧树脂乳液。

2 水性环氧丙烯酸乳液的合成和应用性能分析

在环氧树脂的水性改性中对于环氧基的处理比较灵活, 在固化反应中除了环氧基和固化剂发生交联之后, 还可以依靠引进的羧基、羟基等官能团和固化剂发生交联固化。在环氧树脂的水性化方法中, 有多种方法可以选择, 例如可以引入不饱和的脂肪酸和环氧树脂酯化反应来生成环氧酯, 环氧树脂还可以和干性油脂酸酯化而得到环氧酯底漆。环氧丙烯酸酯型是其中应用最为广泛的方法, 可以利用丙烯酸类的单体或者聚合物和环氧树脂发生接枝共聚, 生成具有酸性基团的环氧丙烯酸树脂, 然后用碱中和[4]。环氧树脂和异氰酸酯预聚物反应之后可以得到含有氨基、羧基、羟基的环氧异氰酸酯树脂。

在合成环氧丙烯酸乳液的过程中, 单体的选择十分重要, 可以选择不同的单体组合来满足漆膜特性的要求。在合成水性环氧丙烯酸乳液之前, 首先应当合成水性环氧丙烯酸树脂。其原材料主要有工业级的丙烯酸、丙烯酸羟丙酯、丙烯酸丁酯、苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、二甲基乙醇胺、丁醇、乙二醇醚类溶剂、环氧树脂、过氧化苯甲酰[5]。在安装有温度计、回流冷凝器以及搅拌器的四口烧瓶中加入环氧树脂和丁醇等, 加热到110℃, 均匀搅拌的状态下加入有过氧化苯甲酰的混合单体, 加入完成之后, 保温至转化率大于98%。然后加入乙二醇醚类溶剂、二甲基乙醇胺, 此时环氧丙烯酸树脂的p H值达到7~7.5, 然后用水稀释达到其固含量的50%±2%, 然后得到淡黄色透明粘稠状的水性环氧丙烯酸树脂。水性环氧丙烯酸涂漆的配料如下表所示:

制作工艺, 将水性环氧丙烯酸树脂、专用稀释剂、分散剂投放到调漆缸中, 搅拌均匀后加入颜填料, 分散均匀之后用砂磨机研磨, 其细度达到≤30μm, 然后再加入水性环氧丙烯酸树脂、水性氨基树脂、稀释剂搅拌均匀之后, 过滤即得到成品。在合成环氧丙烯酸树脂的过程中, 其关键是单体的选择, 可以选择不同的单体组合来满足涂料漆膜的使用要求。共聚物的玻璃化温度对于合成成功与否具有密切的关系, 在共聚物转化的过程中, 其许多物理性能都发生了剧烈的变化。可以根据推算出的共聚物的玻璃化温度来调整环氧树脂的硬度, 并且加入羧基和羟基使其达到水溶性和交联官能团[6]。在合成水溶性树脂的方法中, 可以用有机胺中和环氧丙烯酸树脂上的羧基使其表现出水溶性。有机胺具有一定的挥发性, 在涂料加工的过程中释放出醇基, 它能够和涂料中的氨基树脂发生反应, 从而形成具有良好性能的交联涂膜。胺的选择不同, 对于涂料的性能、粘度、涂膜固化以及贮存时的稳定性等都具有重要的影响。二甲基乙醇胺用量比较少, 在使用之后涂膜的表面不容易形成缺陷, 所以可以选择二甲基乙醇胺来作为中和剂来提高环氧丙烯酸树脂的水溶性, 还要调节涂料的粘度和涂膜的流平性。可以通过加入少量的醇和醇醚类亲水性助溶剂的方法, 在本方法中选择使用丁醇、乙二醇醚类溶剂来作为助溶剂。助溶剂和水按照一定的比例混合使用, 得到的涂料在施工的过程中粘度合适、固体分高, 而且涂膜的外观和流平性比较好。由于乙二醇醚类溶剂对人体的健康具有危害性, 在实际生产中可以用丙二醇醚类溶剂来替代。环氧丙烯酸树脂和水性氨基树脂能够交联成膜, 最终成为不溶不熔的涂膜, 氨基树脂的用量对涂膜的物理性能如硬度、耐冲击性附着力等具有重要的影响。水性涂料用水来作为溶剂, 而且大部分树脂都表现出弱碱性, 水性涂料在颜料的使用上和传统的溶剂型涂料的使用存在比较大的不同。对于水性涂料来说, 其颜料要满足在水中不发胀、耐高温以及遇水不返粗, 其酸碱度接近中性等。如果p H太高, 容易造成树脂皂化;如果p H值太低, 容易导致树脂分层。

对于涂料的性能来说, 其质量的好坏和成膜的底料具有密切的关系, 成膜物质决定了涂层的理化性能。合成工艺对于乳液的水分散稳定性具有重要的影响, 为了得到良好的实验效果, 要选择使用合适的原料合成工艺, 从而得到性能优异的涂膜。在合成的过程中聚合稳定对于聚合稳定性和产品的质量具有重要的影响, 温度是其中关键的因素。如果反应的温度过高, 就容易导致引发剂的分解速度加快。在环氧树脂和丙烯酸单体的共聚反应中, 存在着羧基单体之间的共聚反应和羧基单体和环氧树脂的共聚反应。如果反应温度不同, 那么反应的程度也不一样, 反应程度高的, 环氧树脂上的羧基单体就比较多, 导致其水溶性也比较好;如果其接枝上的羧基数量比较少, 那么环氧树脂的稳定性和水溶性也就比较低。当温度比较低的时候, 反应的转化率比较低, 这主要是由于引发剂在达到分解温度的时候产生自由基, 而自由基在反应的过程中需要一定的能量。当温度比较低的时候, 外界的能量也比较低, 不利于接枝反应, 这种情况下主要发生的是丙烯酸单体之间的共聚反应。当温度比较高的生活, 引发剂的分解速度加快, 反应所需要的能量也足够, 最终使水洗环氧树脂乳液的稳定性降低, 外观呈现出微黄色。

环氧丙烯酸乳液的稳定性受温度的影响比较大, 在低温时乳液的稳定性比较好, 即便存在分层也可以利用搅拌的方法快速复原。在20~60℃时, 容易发生分层而变质的现象, 在恒温70℃的环境下其稳定性比较好, 所以可以选择加入一定量的杀菌剂之后进行低温保存。水性环氧丙烯酸乳液在生产和生活中种类非常多, 而且应用也非常广泛。利用水性环氧树脂配制的水性涂料具有比较独特的性能, 具有良好的耐腐蚀性、装饰性和保色性等特点, 在钢材和人行车道的保护等方面应用比较多。水性环氧涂料还可以用来进行新旧混凝土的粘接, 提高抗化学品腐蚀和抗机械损伤的性能。

3 结束语

利用丙烯酸酯类的单体来改变环氧树脂的性质, 使其表现出亲水性, 能够更加满足生产和生活的需要。在合成工艺的过程中要注意控制温度、溶剂等条件, 因为温度和溶剂的不同都会影响到水性环氧丙烯酸乳液的性质和稳定性。此外水性环氧丙烯酸由于添加的单体不同, 还可以生成其它结构的物质, 例如苯乙烯-丙烯酸共聚乳液是专门为水性罩光清漆和印刷油墨而研制的, 可以替代溶剂型油墨的水性凹版印刷油墨, 因此应当进一步的加强对水性环氧丙烯酸乳液的合成技术和性质的研究, 提高其性能, 更好的为生产和生活服务。

摘要:溶剂型的环氧树脂不溶于水, 易溶于酯、酮、醚等有机溶剂, 但是不符合环保的要。为了发出环保型的环氧树脂材料, 加强其水洗化的研究是十分有必要的。水性环氧树脂中没有挥发性的有机溶剂, 所以对环境比较友好, 而且还具有良好的机械性能、耐化学性和绝缘性能等。近年来水性丙烯酸改性环氧树脂成为了研究的热点, 而且取得了定的成果。环氧丙烯酸不仅保留了环氧树脂的优点, 而且还具有非常好的光活性, 因此成为固化涂层材料中应用比较广泛的感光性树脂。

关键词:环氧树脂,水性,环氧丙烯酸乳液,丙烯酸改性

参考文献

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