改性環(huán)氧樹脂耐磨涂料的制備與性能分析

摘 要：環(huán)氧樹脂的機械強度比較高，其具有良好的粘接力，但是其韌性比較差，通常會處于脆性狀態(tài)。采用聚氨酯對其進行改性，能夠使環(huán)氧樹脂基體的韌性得到提高，從而增強涂料的耐磨性能。本文對改性環(huán)氧樹脂耐磨涂料的制備過程進行分析，并就其性能進行探討。

關(guān)鍵詞：改性環(huán)氧樹脂；耐磨涂料；制備；性能分析

中圖分類號：TQ637 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）24-0336-02

聚氨酯是一種高分子材料，其具有很好的彈性，利用其對環(huán)氧樹脂進行改性，能夠增強環(huán)氧樹脂的韌性，使改性環(huán)氧樹脂涂料的耐磨性能得到提升。所以，在制備耐磨涂料的時候，可以選用改性環(huán)氧樹脂材料，用于提升涂料的整體性能。

1 環(huán)氧樹脂

環(huán)氧樹脂的粘接力比較好，擁有良好的機械強度，所以在制備涂層材料的時候，環(huán)氧樹脂有廣泛的應(yīng)用。但是，在對環(huán)氧樹脂進行固化處理后，其會形成芳香結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)比較稠密，所以會處于脆性狀態(tài)。將環(huán)氧樹脂作為制備涂料的原材料，會導(dǎo)致涂料的相關(guān)性能達不到應(yīng)有的要求。因此，需要增強環(huán)氧樹脂基體的韌性，從而提升環(huán)氧樹脂涂料的耐磨性能。我國在對此問題進行研究時，主要采用三種方法對環(huán)氧樹脂進行改性，以增強環(huán)氧樹脂基體的韌性：①通過彈性體增韌的方式對環(huán)氧樹脂進行改性；②通過熱塑性樹脂增韌的方式對環(huán)氧樹脂進行改性；③通過膨脹單體共聚的方式進行改性。聚氨酯是一種高分子材料，其擁有很高的彈性，所以可以利用聚氨酯制備聚氨酯預(yù)聚體，再利用聚氨酯預(yù)聚體對環(huán)氧樹脂進行改性。這樣以來，環(huán)氧體型架構(gòu)本身是剛性的，在其中會分布聚氨酯彈性基團，此基團能夠增強環(huán)氧樹脂的韌性，從而使環(huán)氧素質(zhì)涂料的耐磨性能得到有效的提升。

2 實 驗

2.1 選擇環(huán)氧樹脂

在本文中所選用的環(huán)氧樹脂為E-44雙酚A型環(huán)氧樹脂，將其作為耐磨涂料的成膜物質(zhì)。雙酚A型環(huán)氧樹脂的分子量通常會在300～7000之間，如果環(huán)氧樹脂的相對分子質(zhì)量比較小，其會具有高聚物的性能，并且此高聚物具有很強的熱塑性，這類環(huán)氧樹脂不能用于制備耐磨涂料。如果環(huán)氧樹脂的平均相對分子量比較高，那么其環(huán)氧值就會比較低，交聯(lián)度也不會很大。在對其進行固化處理后，涂膜會比較軟，也不能用于制作耐磨涂料。所以，在制備耐磨涂料時，所選用的環(huán)氧樹脂分子量應(yīng)比較適中。本實驗使用的E-44雙酚A型環(huán)氧樹脂具有較高的環(huán)氧值，交聯(lián)度也比較大。在對其進行固化處理后，得到的涂膜硬度比較大，耐高溫的能力比較強，也具有較好的耐磨性能。

2.2 制備改性環(huán)氧樹脂

在本實驗中，通過聚氨酯預(yù)聚體對其進行改性。①將二甲苯與乙酸丁酯按照一定的比例混合成溶液，再取一定量的此混合溶液和環(huán)氧樹脂，使兩者混合均勻，成為新的混合溶液。對混合溶液進行加熱處理，在加熱的過程中對其進行攪拌，制成環(huán)氧溶液。②按照一定的比例，分別取適量的環(huán)氧溶液和預(yù)聚體，將兩者混合后再倒入三頸瓶內(nèi)。通過水浴加熱的方式，使三頸瓶內(nèi)的溶液溫度升至80℃，將溶液攪拌均勻并保溫2.5h，冷卻后再出料。在此過程中，需要用到的器具有電動攪拌器、溫度計、三頸瓶、恒溫水浴槽、鐵夾座。

2.3 制備耐磨涂料

在制備耐磨涂料時，采用的是改性環(huán)氧樹脂。其中，改性環(huán)氧樹脂占45～60%；低分子650#聚酰胺所占的比例為13～17%；粗顆粒碳化硅所占的比例為5～10%；細顆粒碳化硅所占的比例為15～25%。此外，在涂層中還需要適當(dāng)?shù)奶砑右徊糠种鷦?。具體的制備工藝如下：將改性環(huán)氧樹脂、固化劑、陶瓷骨料和添加劑混合攪拌均勻，制作成困料，并對A3鋼試片的表面進行處理，再進行涂覆、硬化，就制作成耐磨涂料。

2.4 測試耐磨性能

制備好耐磨涂料后，量其刷涂于A3鋼試片上，本實驗中使用的鋼試片尺寸為70mm×35mm×0.75mm，所涂的厚度為150μm。在對沖蝕磨損狀態(tài)環(huán)境進行模擬時，將粒度為0.5～15mm的河沙、水裝進QQM輕型球磨機的小號球磨罐內(nèi)，兩者的質(zhì)量比控制在1：3，轉(zhuǎn)速以600r/min比較適宜。同時，沒磨損試驗1h，就要在電子天平上將其質(zhì)量稱量出來。然后，通過以下公式將磨損率計算出來：磨損率=（失質(zhì)量/原質(zhì)量）×100%。在評定涂層的耐磨性時，選擇10h內(nèi)每小時磨損率的平均值。

3 結(jié)果與討論

根據(jù)上述實驗，改性環(huán)氧樹脂耐磨涂料每小時的磨損率為0.042%，在情況不變時，如果制備耐磨涂料采用的材料為純環(huán)氧樹脂，其磨損率能達到0.146%/h。所以，與純環(huán)氧樹脂相比，利用改性環(huán)氧樹脂制備的耐磨涂料，其耐磨性能更好。這主要是因為從沖擊韌性、粘接強度方面來看，改性環(huán)氧樹脂比純環(huán)氧樹脂更好。聚氨酯預(yù)聚體本身是鏈接在環(huán)氧樹脂剛性鏈段上的，在對改性樹脂體系進行固化處理后，其會通過彈性顆粒狀態(tài)分散析出，從而在體系內(nèi)會逐漸的形成海島結(jié)構(gòu)。也就是說，聚氨酯彈性基團會分布在剛性環(huán)氧體型架構(gòu)中，所以在對體系進行固化處理后，其韌性能夠有所改善。并且，在聚氨酯預(yù)聚體結(jié)構(gòu)中存在著聚酯或者聚醚鏈，而在環(huán)氧樹脂中存在著極性脂肪羥基和醚鍵，在雙方的相互作用下，能夠使體系的粘接強度得到改善。

通過分析，能夠得到聚氨酯預(yù)聚體的紅外譜圖和改性環(huán)氧樹脂涂料的紅外譜圖。其中，在910～920cm-1處，表明的是環(huán)氧基的特征峰，異氰酸酯基和-NHCOO基團的特征峰分別在2265～2280cm-1處和1730～1735cm-1處。在環(huán)氧樹脂與聚氨酯發(fā)生反應(yīng)后，在2265～2280cm-1處的異氰酸酯基會逐漸消失，1730～1735cm-1處的-NHCOO基團會隨之而增加，這是因為體系中的羥基與異氰酸酯基基團發(fā)生反應(yīng)，兩者反應(yīng)會生成-NHCOO基團，所以-NHCOO基團會增加。異氰酸酯基基團的極性很強，并具有化學(xué)活潑性，容易與羥基發(fā)生反應(yīng)，所以在對環(huán)氧涂料進行改性后，應(yīng)盡量減少其中的異氰酸酯基基團。因此，在加入聚氨酯時，要保證其中的異氰酸酯基基團能夠與羥基完全發(fā)生反應(yīng)，這就要求在實驗過程中要控制好聚氨酯的用量，其影響著體系的綜合性能。如果加入的聚氨酯量偏少，體系能夠達到比較好的相容性，這樣就不會析出聚氨酯彈性體顆粒，會對裂紋的中止產(chǎn)生不良的影響。如果向環(huán)氧樹脂中加入的聚氨酯量過多，就會導(dǎo)致相鄰粒子靠得太近，在受到外力作用時，會使裂紋超出臨界范圍，從而將應(yīng)變能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，造成材料被破壞。根?jù)實驗，當(dāng)聚氨酯與環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為0.3的時候，兩者經(jīng)過反應(yīng)所剩余的異氰酸酯基基團特征峰的強度會比較小，即異氰酸酯基基團的剩余量會比較少，能夠使改性涂料的綜合性能得到提升。

在本實驗中所選用的固化劑為低分子650#聚酰胺，固化的時候可以在常溫下進行，也可以在加熱的條件下進行。當(dāng)溫度不同時，固化的效果也會不同，通過紅外光譜分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在高溫條件下進行固化時，與常溫下的固化相比，涂層在1730～1735cm-1處的異氰酸酯基基團集團強度更大。所以，在高溫條件下對涂層進行固化處理，能夠增強涂層的柔韌度。在增加固化劑的使用量時，涂層表干的時間會縮短。因此，在對各因素進行綜合考慮的情況下，將低分子650#聚酰胺與環(huán)氧樹脂的控制比控制為1：1，涂層在常溫下的表干時間自需要4h。然后，通過測試涂層的實干時間可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在常溫條件下時，涂層的實干時間一般在3～5h。如果在100℃的條件下進行實干，所需的之間只要2h。

4 結(jié)束語

綜上所述，采用聚氨酯對環(huán)氧樹脂進行改性，利用改性后的環(huán)氧樹脂制備耐磨涂料，能夠提升涂料的耐磨性能，還能縮短涂料的表干和實干時間。所以，改性環(huán)氧樹脂是一種制備耐磨涂料的重要材料，其能夠在耐磨涂料的制備中得到廣泛的應(yīng)用。

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收稿日期：2018-7-21