高性能環(huán)氧高分子材料的制備及應(yīng)用

邱振宇

(天津大學(xué)仁愛學(xué)院，天津 301636)

環(huán)氧高分子材料性能優(yōu)異，應(yīng)用廣泛[1-4]，越來越成為地坪涂裝的主流材料[5-8]。但環(huán)氧高分子材料耐候性不佳，通常僅作為室內(nèi)地坪涂裝材料使用。

近年來，國家對于戶外健身路徑的投入逐漸加大[9-12]。相較于聚氨酯和丙烯酸材料，環(huán)氧高分子材料特點(diǎn)明顯，優(yōu)勢突出，但耐候性不佳制約著其作為戶外健身路徑地面材料應(yīng)用。

為了改善環(huán)氧高分子材料耐候性不佳的問題，本文采用行之有效的分子設(shè)計(jì)和配方設(shè)計(jì)方法[1,13-15]：采用結(jié)構(gòu)特殊的改性固化劑進(jìn)行化學(xué)改性。制備出耐候性明顯優(yōu)于國外競品材料，耐磨性、附著力等性能穩(wěn)定的高性能環(huán)氧高分子材料，有望能作為戶外地面材料使用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

環(huán)氧樹脂128(南亞，牌號：NPEL-128，純度>99%)；改性固化劑(自制，純度>97%)；單官能活性稀釋劑C12～C14(美國瀚森，純度>99%)；膨潤土(純度>99%)、石英粉(800目，純度>99%)、碳酸鈣(800目，純度>99%)均為市售產(chǎn)品。

萊思LS-UV3紫外線耐候老化實(shí)驗(yàn)箱；瑞格爾RGM-2200微機(jī)控制電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)；BN-X6型智能數(shù)顯擺式摩擦系數(shù)儀。

1.2 材料制備

改性環(huán)氧高分子材料的基礎(chǔ)配方見表1，制備方法如下：

表1 改性高性能環(huán)氧高分子材料基礎(chǔ)配方Table 1 Basic formula of high-performance epoxy polymer materials

先將環(huán)氧樹脂128和單官活性稀釋劑C12～C14混合，800 r/min分散5 min，然后加入膨潤土；1 200 r/min 分散10 min；然后加入石英粉和碳酸鈣，1 200 r/min分散30 min；最后加入改性固化劑分散15 min；脫泡后按照測試要求制備成所需的膜或者樣條。

1.3 測試及表征

UV老化實(shí)驗(yàn)：按GB/T 14522—2008執(zhí)行；拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率測試：按GB/T 1040.3—2006執(zhí)行；耐水性測試：30 ℃水中浸泡24 h，觀察涂膜；耐堿性測試：30 ℃ Ca(OH)2飽和溶液中浸泡24 h，觀察；低溫抗裂性：-10 ℃保持4 h，室溫放置4 h為一個(gè)循環(huán)，連續(xù)做3個(gè)循環(huán)后觀察涂膜開裂情況，是否有裂紋；抗滑性測試：擺式摩擦系數(shù)儀測定BPN值，其中45≤BPN<55，屬于普通防滑等級，55≤BPN<70屬于中防滑等級，BPN≥70屬于高防滑等級；附著力測試：按GB 1720—79(89)執(zhí)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性高性能環(huán)氧高分子材料涂膜性能

表2是改性高性能環(huán)氧高分子材料與國外競品材料的涂膜外觀、耐水性、耐堿性、低溫抗裂性、抗滑值和附著力等涂膜性能的測試數(shù)據(jù)。從結(jié)果可以看出，改性高性能環(huán)氧高分子材料和國外競品材料的涂膜外觀、耐水耐堿、低溫開裂性能均優(yōu)異，成膜均勻，水泡和堿水浸泡后涂膜無異常。改性高性能環(huán)氧高分子材料的附著力明顯比國外對比材料自主研發(fā)材料優(yōu)異(級數(shù)越低，附著力越好)。在抗滑性上，改性高性能環(huán)氧高分子材料的BPN值達(dá)到70，屬于高防滑等級材料；附著力達(dá)到1級。改性高性能環(huán)氧高分子材料的抗滑性和附著力都明顯超過了國外競品材料。改性高性能環(huán)氧高分子材料的涂膜性能優(yōu)異，特別是優(yōu)異的抗滑性和附著力，作為全民健身場地地面材料使用，比國外競品性能更好，更有優(yōu)勢。

表2 改性高性能環(huán)氧高分子材料與國外競品材料對比Table 2 Comparison of high-performance epoxy polymer materials with foreign competitive materials

2.2 改性高性能環(huán)氧高分子材料的UV老化性能

表3和圖1是改性高性能環(huán)氧高分子材料和國外競品材料的UV老化測試結(jié)果。結(jié)果表明，經(jīng)過改性的高性能環(huán)氧高分子材料在UV老化測試中性能下降不明顯。經(jīng)過UV測試15周，拉伸強(qiáng)度僅從14 MPa降低至13 MPa；斷裂伸長率從40%降低至30%，雖然都呈現(xiàn)下降趨勢，但是下降幅度小，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率能在長時(shí)間內(nèi)保持在初始水平，表明該材料在應(yīng)用過程中耐候性好，材料強(qiáng)度，材料彈性等能長時(shí)間保持，性能穩(wěn)定。拉伸強(qiáng)度達(dá)到13～14 MPa，斷裂伸長率穩(wěn)定在30%～40%，較好地平衡了強(qiáng)度和彈性，適用于地面材料使用，如健身場地等要求一定強(qiáng)度、耐磨和彈性的使用場合。而國外競品材料的強(qiáng)度和斷裂伸長率雖然初始的強(qiáng)度和斷裂伸長率和高性能改性環(huán)氧高分子差別不大，但其耐候性不佳，性能有明顯的衰退，拉伸強(qiáng)度下降了10 MPa，斷裂伸長率下降幅度更大，從42%降低至15%，材料的耐候性和穩(wěn)定性明顯不如改性的高性能環(huán)氧高分子材料。

表3 改性高性能環(huán)氧高分子材料與國外競品UV老化測試Table 3 UV aging test of high-performance epoxy polymer materials and foreign competitive materials

圖1 改性高性能環(huán)氧高分子材料與國外競品UV老化測試性能變化趨勢Fig.1 UV aging properties of high-performance epoxy polymer materials and foreign competitive materials

2.3 固化劑用量對改性高性能環(huán)氧高分子材料的性能影響

固定環(huán)氧樹脂128、碳酸鈣、單官活性稀釋劑的用量不變，隨著填料碳酸鈣用量從150份增加至250份，探索了不同改性固化劑用量對材料性能的影響，配方及測試結(jié)果總結(jié)見表4和圖2。

表4 不同改性固化劑用量對改性高性能環(huán)氧高分子材料性能的影響Table 4 Effect of different amount of modified curing agent on properties of high-performance epoxy polymer materials

由表4和圖2可知，保持環(huán)氧樹脂和C12～C14稀釋劑的用量不變，改性固化劑從150份提高至250份，制得的環(huán)氧高分子材料拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率均沒有明顯的變化。這是因?yàn)?，該改性固化劑具有特殊的產(chǎn)生分子結(jié)構(gòu)，既能與環(huán)氧樹脂產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；又含有硅氧烷基團(tuán)，能夠和無機(jī)填料表面產(chǎn)生化學(xué)鍵結(jié)合，應(yīng)力通過界面有效進(jìn)行傳遞，提高環(huán)氧高分子材料和無機(jī)填料之間的界面結(jié)合強(qiáng)度[16-17]；而且改性固化劑自身的硅氧烷基團(tuán)還能起到自交聯(lián)的作用[18]。正因?yàn)樵摳男怨袒瘎┰谂浞街械亩嘀叵嗷プ饔?，使得改性環(huán)氧高分子材料的交聯(lián)密度能保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平，即使隨著改性固化劑的用量變化，環(huán)氧高分子材料仍然能保持性能穩(wěn)定。該改性固化劑在此配方中的容忍度高、容錯(cuò)率高、易于配膠、方便施工。

圖2 不同改性固化劑用量對改性高性能環(huán)氧高分子材料性能變化趨勢Fig.2 Effect of different amount of modified curing agent on properties of high-performance epoxy polymer materials

2.4 填料用量對改性高性能環(huán)氧高分子材料的性能影響

表5和圖3為不同填料用量對改性環(huán)氧高分子材料性能的影響。

圖3 不同填料用量對改性高性能環(huán)氧高分子材料性能變化趨勢Fig.3 Effect of different amount of fillers on properties of high-performance epoxy polymer materials

表5 不同填料用量對改性高性能環(huán)氧高分子材料性能的影響Table 5 Effect of different amount of fillers on properties of high-performance epoxy polymer materials

固定環(huán)氧樹脂128，改性固化劑，單官活性稀釋劑的用量不變，隨著填料碳酸鈣用量從150份增加至250份，改性環(huán)氧高分子材料的拉伸強(qiáng)度保持在14～15 MPa波動(dòng)；斷裂伸長率雖然隨著填料用量有所降低，但是降低幅度很小，斷裂伸長率保持在36%～40%。這是因?yàn)楦男怨袒瘎┲泻泄柩跬榛鶊F(tuán)，能夠和無機(jī)填料表面產(chǎn)生化學(xué)鍵結(jié)合，應(yīng)力通過界面有效進(jìn)行傳遞，提高環(huán)氧高分子材料和無機(jī)填料之間的界面結(jié)合強(qiáng)度[16-18]，克服了常見的因無機(jī)填料加入而導(dǎo)致的相分離使得強(qiáng)度下降的問題。該改性環(huán)氧高分子材料在保持一定強(qiáng)度要求的前提下可容納填料量大，可以降低成本，容忍度高，容錯(cuò)率高，易于配方設(shè)計(jì)，該特點(diǎn)特別適合于作為高速公路材料，全民健身場地地面材料等用量大，對材料成本要求低的場合使用。

3 結(jié)論及展望

通過改性固化劑進(jìn)行改性得到高性能環(huán)氧高分子材料，并對改性的環(huán)氧高分子材料進(jìn)行了耐磨耐用性、附著力、防滑性、耐候性等性能研究。附著力(劃圈法)1級；抗滑值(BPN)達(dá)到70，屬于高防滑型。

改性環(huán)氧高分子材料耐候性好，UV老化測試15周，強(qiáng)度和斷裂伸長率的降低不明顯，強(qiáng)度保持在13～14 MPa，斷裂伸長率保持在30%～40%，強(qiáng)度和斷裂伸長率明顯強(qiáng)于國外同類型競品。

探索了不同改性固化劑用量和不同填料用量對該環(huán)氧高分子材料的性能影響，結(jié)果表明該環(huán)氧高分子材料對固化劑用量以及填料容納度高，配方設(shè)計(jì)性強(qiáng)；在很寬的范圍內(nèi)均具有穩(wěn)定的性能。

該高性能環(huán)氧高分子材料耐磨耐用，附著力好，防滑效果佳，耐候性優(yōu)異，性能穩(wěn)定，有望作為戶外地面材料使用。特別是作為全民健身場地地面材料，具有傳統(tǒng)聚氨酯和丙烯酸材料不具備的特點(diǎn)，有望在全民健身領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。