水性環(huán)氧樹脂體系

       水性環(huán)氧樹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)氧樹脂的性能簡(jiǎn)介環(huán)氧樹脂是常用的熱固性樹脂，在熱固性樹脂中的用量比較大，而且應(yīng)用比較廣泛。在環(huán)氧樹脂中含有獨(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)氧樹脂具有許多種類，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。

　　環(huán)氧樹脂具有良好的力學(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脂、酚醛樹脂等熱固性樹脂優(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)氧樹脂受到了人們的重視[2]。水性環(huán)氧樹脂不但對(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)氧樹脂發(fā)展的主要方向。

　　環(huán)氧樹脂的分子結(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)氧樹脂的水性改善是在環(huán)氧樹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，常見的水性改性劑有羥基、氨基、羧基等化合反應(yīng)。對(duì)環(huán)氧樹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)氧樹脂變成含有堿基團(tuán)的樹脂，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)氧樹脂酯化反應(yīng)來(lái)生成環(huán)氧酯，環(huán)氧樹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，可以利用丙烯酸類的單體或者聚合物和環(huán)氧樹脂發(fā)生接枝共聚，生成具有酸性基團(tuán)的環(huán)氧丙烯酸樹脂，然后用堿中和。環(huán)氧樹脂和異氰酸酯預(yù)聚物反應(yīng)之后可以得到含有氨基、羧基、羥基的環(huán)氧異氰酸酯樹脂。

　　在合成環(huán)氧丙烯酸乳液的過程中，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、乙二醇醚類溶劑、環(huán)氧樹脂、過氧化苯甲酰。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)氧樹脂和丁醇等，加熱到110℃，均勻攪拌的狀態(tài)下加入有過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溶劑、二甲基乙醇胺，此時(shí)環(huán)氧丙烯酸樹脂的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)氧丙烯酸樹脂、專用稀釋劑、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)氧丙烯酸樹脂、水性氨基樹脂、稀釋劑攪拌均勻之后，過濾即得到成品。在合成環(huán)氧丙烯酸樹脂的過程中，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)。在合成水溶性樹脂的方法中，可以用有機(jī)胺中和環(huán)氧丙烯酸樹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，在涂料加工的過程中釋放出醇基，它能夠和涂料中的氨基樹脂發(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^加入少量的醇和醇醚類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溶劑來(lái)替代。環(huán)氧丙烯酸樹脂和水性氨基樹脂能夠交聯(lián)成膜，最終成為不溶不熔的涂膜，氨基樹脂的用量對(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，容易造成樹脂皂化；如果pH值太低，容易導(dǎo)致樹脂分層。

       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)的溫度過高，就容易導(dǎo)致引發(fā)劑的分解速度加快。在環(huán)氧樹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)的過程中需要一定的能量。