水性環(huán)氧丙烯酸乳液的性能及合成技術(shù)分析

摘 要：溶劑型的環(huán)氧樹(shù)脂不溶于水，易溶于酯、酮、醚等有機(jī)溶劑，但是不符合環(huán)保的需要。為了開(kāi)發(fā)出環(huán)保型的環(huán)氧樹(shù)脂材料，加強(qiáng)其水洗化的研究是十分有必要的。水性環(huán)氧樹(shù)脂中沒(méi)有揮發(fā)性的有機(jī)溶劑，所以對(duì)環(huán)境比較友好，而且還具有良好的機(jī)械性能、耐化學(xué)性和絕緣性能等。近年來(lái)水性丙烯酸改性環(huán)氧樹(shù)脂成為了研究的熱點(diǎn)，而且取得了一定的成果。環(huán)氧丙烯酸不僅保留了環(huán)氧樹(shù)脂的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有非常好的光活性，因此成為固化涂層材料中應(yīng)用比較廣泛的感光性樹(shù)脂。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹(shù)脂；水性；環(huán)氧丙烯酸乳液；丙烯酸改性

水性環(huán)氧樹(shù)脂體系能夠有效的降低揮發(fā)性有機(jī)物的使用，符合環(huán)保要求，因此在工業(yè)生產(chǎn)和生活中得到了廣泛的應(yīng)用。密切常用的環(huán)氧樹(shù)脂涂料大部分是溶劑型的，其中的揮發(fā)物則含有易燃易爆的有毒物質(zhì)，在揮發(fā)的過(guò)程中直接排放到大自然中，在陽(yáng)光的作用下會(huì)形成煙霧或者酸雨，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了比較大的破壞作用。水性涂料以及高固體份涂料等環(huán)保型的涂料日益得到了人們的重視，因此得到了比較快的發(fā)展，而且水性涂料在使用的過(guò)程中還具有節(jié)省資源、有機(jī)物排放量比較低的優(yōu)點(diǎn)。

1 環(huán)氧樹(shù)脂的性能簡(jiǎn)介

環(huán)氧樹(shù)脂是常用的熱固性樹(shù)脂，在熱固性樹(shù)脂中的用量比較大，而且應(yīng)用比較廣泛。在環(huán)氧樹(shù)脂中含有獨(dú)特的環(huán)氧基、羥基以及醚鍵等活性基團(tuán)，所以能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。環(huán)氧樹(shù)脂具有許多種類(lèi)，而且性能各異，還具有非常多的改性劑、促進(jìn)劑、添加劑等，可以組成多種組合，從而得到性能不同的環(huán)氧固化體系，能夠滿足各種性能和工藝的要求[1]。

環(huán)氧樹(shù)脂具有良好的力學(xué)性能，其分子結(jié)構(gòu)緊密，具有非常強(qiáng)的內(nèi)聚力，其力學(xué)性能比不飽和的聚酯樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂等熱固性樹(shù)脂優(yōu)良的多。而且還具有黏結(jié)強(qiáng)度高，粘接性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，其中含有的羥基、環(huán)氧基、醚鍵等具有比較大的活性，決定了其良好的黏接強(qiáng)度，可以用來(lái)作為結(jié)構(gòu)膠。對(duì)于大部分金屬和非金屬材料都具有良好的粘接性，例如木材、玻璃、陶瓷等。但是大部分環(huán)氧樹(shù)脂都不能溶于水，對(duì)環(huán)境有比較大的危害，給其施工、運(yùn)輸以及存儲(chǔ)等都帶來(lái)了不便，因此用水來(lái)作為溶劑的水性環(huán)氧樹(shù)脂受到了人們的重視[2]。水性環(huán)氧樹(shù)脂不但對(duì)環(huán)境比較友好，而且可以在潮濕的界面上施工，而且使用簡(jiǎn)單，對(duì)于施工環(huán)境的要求不高，便于清洗、存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn)，因此成為了環(huán)氧樹(shù)脂發(fā)展的主要方向。

環(huán)氧樹(shù)脂的分子結(jié)構(gòu)中含有羥基、環(huán)氧基以及醚鍵等基團(tuán)，從而表現(xiàn)出了一系列優(yōu)異的物理性能，例如具有良好的絕緣性能和機(jī)械性能以及耐化學(xué)性能等，在復(fù)合材料基體、膠粘劑、涂料等方面得到了廣泛的應(yīng)用。為了進(jìn)一步的提高其使用性能，降低環(huán)氧樹(shù)脂材料對(duì)于環(huán)境的危害，加強(qiáng)其水溶性研究非常重要。環(huán)氧樹(shù)脂的水性改善是在環(huán)氧樹(shù)脂的大分子上加入強(qiáng)的親水基團(tuán)，然后使其具有自乳化和水溶性的功能，常見(jiàn)的水性改性劑有羥基、氨基、羧基等化合反應(yīng)[3]。對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂水性化的重要方法是成鹽的方法，在其分子的骨架上引入極性基團(tuán)，然后使其親水因子在水中分散。具體的操作中可以先把環(huán)氧樹(shù)脂變成含有堿基團(tuán)的樹(shù)脂，然后利用堿或者酸來(lái)中和成為鹽來(lái)水性化的方法。其中利用堿中和的方法應(yīng)用的比較多，如：利用不包含的脂肪酸、丙烯酸類(lèi)單體和聚合物等化合物，其次還可以利用二元酸和環(huán)氧樹(shù)脂上的雙鍵進(jìn)行加成反應(yīng)，最后用堿來(lái)中和成為鹽，最終得到水性環(huán)氧樹(shù)脂乳液。

2 水性環(huán)氧丙烯酸乳液的合成和應(yīng)用性能分析

在環(huán)氧樹(shù)脂的水性改性中對(duì)于環(huán)氧基的處理比較靈活，在固化反應(yīng)中除了環(huán)氧基和固化劑發(fā)生交聯(lián)之后，還可以依靠引進(jìn)的羧基、羥基等官能團(tuán)和固化劑發(fā)生交聯(lián)固化。在環(huán)氧樹(shù)脂的水性化方法中，有多種方法可以選擇，例如可以引入不飽和的脂肪酸和環(huán)氧樹(shù)脂酯化反應(yīng)來(lái)生成環(huán)氧酯，環(huán)氧樹(shù)脂還可以和干性油脂酸酯化而得到環(huán)氧酯底漆。環(huán)氧丙烯酸酯型是其中應(yīng)用最為廣泛的方法，可以利用丙烯酸類(lèi)的單體或者聚合物和環(huán)氧樹(shù)脂發(fā)生接枝共聚，生成具有酸性基團(tuán)的環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂，然后用堿中和[4]。環(huán)氧樹(shù)脂和異氰酸酯預(yù)聚物反應(yīng)之后可以得到含有氨基、羧基、羥基的環(huán)氧異氰酸酯樹(shù)脂。

在合成環(huán)氧丙烯酸乳液的過(guò)程中，單體的選擇十分重要，可以選擇不同的單體組合來(lái)滿足漆膜特性的要求。在合成水性環(huán)氧丙烯酸乳液之前，首先應(yīng)當(dāng)合成水性環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂。其原材料主要有工業(yè)級(jí)的丙烯酸、丙烯酸羥丙酯、丙烯酸丁酯、苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、二甲基乙醇胺、丁醇、乙二醇醚類(lèi)溶劑、環(huán)氧樹(shù)脂、過(guò)氧化苯甲酰[5]。在安裝有溫度計(jì)、回流冷凝器以及攪拌器的四口燒瓶中加入環(huán)氧樹(shù)脂和丁醇等，加熱到110℃，均勻攪拌的狀態(tài)下加入有過(guò)氧化苯甲酰的混合單體，加入完成之后，保溫至轉(zhuǎn)化率大于98%。然后加入乙二醇醚類(lèi)溶劑、二甲基乙醇胺，此時(shí)環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂的pH值達(dá)到7～7.5，然后用水稀釋達(dá)到其固含量的50%±2%，然后得到淡黃色透明粘稠狀的水性環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂。水性環(huán)氧丙烯酸涂漆的配料如下表所示：

制作工藝，將水性環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂、專(zhuān)用稀釋劑、分散劑投放到調(diào)漆缸中，攪拌均勻后加入顏填料，分散均勻之后用砂磨機(jī)研磨，其細(xì)度達(dá)到≤30μm，然后再加入水性環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂、水性氨基樹(shù)脂、稀釋劑攪拌均勻之后，過(guò)濾即得到成品。在合成環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂的過(guò)程中，其關(guān)鍵是單體的選擇，可以選擇不同的單體組合來(lái)滿足涂料漆膜的使用要求。共聚物的玻璃化溫度對(duì)于合成成功與否具有密切的關(guān)系，在共聚物轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，其許多物理性能都發(fā)生了劇烈的變化?？梢愿鶕?jù)推算出的共聚物的玻璃化溫度來(lái)調(diào)整環(huán)氧樹(shù)脂的硬度，并且加入羧基和羥基使其達(dá)到水溶性和交聯(lián)官能團(tuán)[6]。在合成水溶性樹(shù)脂的方法中，可以用有機(jī)胺中和環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂上的羧基使其表現(xiàn)出水溶性。有機(jī)胺具有一定的揮發(fā)性，在涂料加工的過(guò)程中釋放出醇基，它能夠和涂料中的氨基樹(shù)脂發(fā)生反應(yīng)，從而形成具有良好性能的交聯(lián)涂膜。胺的選擇不同，對(duì)于涂料的性能、粘度、涂膜固化以及貯存時(shí)的穩(wěn)定性等都具有重要的影響。二甲基乙醇胺用量比較少，在使用之后涂膜的表面不容易形成缺陷，所以可以選擇二甲基乙醇胺來(lái)作為中和劑來(lái)提高環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂的水溶性，還要調(diào)節(jié)涂料的粘度和涂膜的流平性?？梢酝ㄟ^(guò)加入少量的醇和醇醚類(lèi)親水性助溶劑的方法，在本方法中選擇使用丁醇、乙二醇醚類(lèi)溶劑來(lái)作為助溶劑。助溶劑和水按照一定的比例混合使用，得到的涂料在施工的過(guò)程中粘度合適、固體分高，而且涂膜的外觀和流平性比較好。由于乙二醇醚類(lèi)溶劑對(duì)人體的健康具有危害性，在實(shí)際生產(chǎn)中可以用丙二醇醚類(lèi)溶劑來(lái)替代。環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂和水性氨基樹(shù)脂能夠交聯(lián)成膜，最終成為不溶不熔的涂膜，氨基樹(shù)脂的用量對(duì)涂膜的物理性能如硬度、耐沖擊性附著力等具有重要的影響。水性涂料用水來(lái)作為溶劑，而且大部分樹(shù)脂都表現(xiàn)出弱堿性，水性涂料在顏料的使用上和傳統(tǒng)的溶劑型涂料的使用存在比較大的不同。對(duì)于水性涂料來(lái)說(shuō)，其顏料要滿足在水中不發(fā)脹、耐高溫以及遇水不返粗，其酸堿度接近中性等。如果pH太高，容易造成樹(shù)脂皂化；如果pH值太低，容易導(dǎo)致樹(shù)脂分層。

對(duì)于涂料的性能來(lái)說(shuō)，其質(zhì)量的好壞和成膜的底料具有密切的關(guān)系，成膜物質(zhì)決定了涂層的理化性能。合成工藝對(duì)于乳液的水分散穩(wěn)定性具有重要的影響，為了得到良好的實(shí)驗(yàn)效果，要選擇使用合適的原料合成工藝，從而得到性能優(yōu)異的涂膜。在合成的過(guò)程中聚合穩(wěn)定對(duì)于聚合穩(wěn)定性和產(chǎn)品的質(zhì)量具有重要的影響，溫度是其中關(guān)鍵的因素。如果反應(yīng)的溫度過(guò)高，就容易導(dǎo)致引發(fā)劑的分解速度加快。在環(huán)氧樹(shù)脂和丙烯酸單體的共聚反應(yīng)中，存在著羧基單體之間的共聚反應(yīng)和羧基單體和環(huán)氧樹(shù)脂的共聚反應(yīng)。如果反應(yīng)溫度不同，那么反應(yīng)的程度也不一樣，反應(yīng)程度高的，環(huán)氧樹(shù)脂上的羧基單體就比較多，導(dǎo)致其水溶性也比較好；如果其接枝上的羧基數(shù)量比較少，那么環(huán)氧樹(shù)脂的穩(wěn)定性和水溶性也就比較低。當(dāng)溫度比較低的時(shí)候，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率比較低，這主要是由于引發(fā)劑在達(dá)到分解溫度的時(shí)候產(chǎn)生自由基，而自由基在反應(yīng)的過(guò)程中需要一定的能量。當(dāng)溫度比較低的時(shí)候，外界的能量也比較低，不利于接枝反應(yīng)，這種情況下主要發(fā)生的是丙烯酸單體之間的共聚反應(yīng)。當(dāng)溫度比較高的生活，引發(fā)劑的分解速度加快，反應(yīng)所需要的能量也足夠，最終使水洗環(huán)氧樹(shù)脂乳液的穩(wěn)定性降低，外觀呈現(xiàn)出微黃色。

環(huán)氧丙烯酸乳液的穩(wěn)定性受溫度的影響比較大，在低溫時(shí)乳液的穩(wěn)定性比較好，即便存在分層也可以利用攪拌的方法快速?gòu)?fù)原。在20～60℃時(shí)，容易發(fā)生分層而變質(zhì)的現(xiàn)象，在恒溫70℃的環(huán)境下其穩(wěn)定性比較好，所以可以選擇加入一定量的殺菌劑之后進(jìn)行低溫保存。水性環(huán)氧丙烯酸乳液在生產(chǎn)和生活中種類(lèi)非常多，而且應(yīng)用也非常廣泛。利用水性環(huán)氧樹(shù)脂配制的水性涂料具有比較獨(dú)特的性能，具有良好的耐腐蝕性、裝飾性和保色性等特點(diǎn)，在鋼材和人行車(chē)道的保護(hù)等方面應(yīng)用比較多。水性環(huán)氧涂料還可以用來(lái)進(jìn)行新舊混凝土的粘接，提高抗化學(xué)品腐蝕和抗機(jī)械損傷的性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

利用丙烯酸酯類(lèi)的單體來(lái)改變環(huán)氧樹(shù)脂的性質(zhì)，使其表現(xiàn)出親水性，能夠更加滿足生產(chǎn)和生活的需要。在合成工藝的過(guò)程中要注意控制溫度、溶劑等條件，因?yàn)闇囟群腿軇┑牟煌紩?huì)影響到水性環(huán)氧丙烯酸乳液的性質(zhì)和穩(wěn)定性。此外水性環(huán)氧丙烯酸由于添加的單體不同，還可以生成其它結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，例如苯乙烯 - 丙烯酸共聚乳液是專(zhuān)門(mén)為水性罩光清漆和印刷油墨而研制的，可以替代溶劑型油墨的水性凹版印刷油墨，因此應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步的加強(qiáng)對(duì)水性環(huán)氧丙烯酸乳液的合成技術(shù)和性質(zhì)的研究，提高其性能，更好的為生產(chǎn)和生活服務(wù)。

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作者簡(jiǎn)介：謝鵬（1976.1-），男，江西省清江縣人，學(xué)歷：碩士，研究方向：水性凹版印刷丙烯酸乳液和水性丙烯酸木器漆乳液的合成及應(yīng)用。