水性環氧丙烯酸乳液的性能及合成技術分析

    慧聰表面處理網訊：水性環氧丙烯酸乳液的性能及合成技術分析

    謝鵬（廣州市鑫雨貿易有限公司，廣東廣州510663）

    摘要：溶劑型的環氧樹脂不溶於水，易溶於酯、酮、醚等有機溶劑，但是不符合環保的需要。為了開發出環保型的環氧樹脂材料，加強其水洗化的研究是十分有必要的。水性環氧樹脂中沒有揮發性的有機溶劑，所以對環境比較友好，而且還具有良好的機械性能、耐化學性和絕緣性能等。近年來水性丙烯酸改性環氧樹脂成為了研究的熱點，而且取得了一定的成果。環氧丙烯酸不僅保留了環氧樹脂的優點，而且還具有非常好的光活性，因此成為固化塗層材料中應用比較廣泛的感光性樹脂。

    關鍵詞：環氧樹脂；水性；環氧丙烯酸乳液；丙烯酸改性

    水性環氧樹脂體系能夠有效的降低揮發性有機物的使用，符合環保要求，因此在工業生產和生活中得到了廣泛的應用。密切常用的環氧樹脂塗料大部分是溶劑型的，其中的揮發物則含有易燃易爆的有毒物質，在揮發的過程中直接排放到大自然中，在陽光的作用下會形成煙霧或者酸雨，對環境產生了比較大的破壞作用。水性塗料以及高固體份塗料等環保型的塗料日益得到了人們的重視，因此得到了比較快的發展，而且水性塗料在使用的過程中還具有節省資源、有機物排放量比較低的優點。

    1·環氧樹脂的性能簡介

    環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，而且應用比較廣泛。在環氧樹脂中含有獨特的環氧基、羥基以及醚鍵等活性基團，所以能夠表現出優異的性能。環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、促進劑、添加劑等，可以組成多種組合，從而得到性能不同的環氧固化體系，能夠滿足各種性能和工藝的要求[1]。

    環氧樹脂具有良好的力學性能，其分子結構緊密，具有非常強的內聚力，其力學性能比不飽和的聚酯樹脂、酚醛樹脂等熱固性樹脂優良的多。而且還具有黏結強度高，粘接性能優異等優點，其中含有的羥基、環氧基、醚鍵等具有比較大的活性，決定了其良好的黏接強度，可以用來作為結構膠。對於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。但是大部分環氧樹脂都不能溶於水，對環境有比較大的危害，給其施工、運輸以及存儲等都帶來了不便，因此用水來作為溶劑的水性環氧樹脂受到了人們的重視[2]。水性環氧樹脂不但對環境比較友好，而且可以在潮溼的界面上施工，而且使用簡單，對於施工環境的要求不高，便於清洗、存儲等優點，因此成為了環氧樹脂發展的主要方向。

    環氧樹脂的分子結構中含有羥基、環氧基以及醚鍵等基團，從而表現出了一系列優異的物理性能，例如具有良好的絕緣性能和機械性能以及耐化學性能等，在複合材料基體、膠粘劑、塗料等方面得到了廣泛的應用。為了進一步的提高其使用性能，降低環氧樹脂材料對於環境的危害，加強其水溶性研究非常重要。環氧樹脂的水性改善是在環氧樹脂的大分子上加入強的親水基團，然後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[3]。對環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，然後使其親水因子在水中分散。具體的操作中可以先把環氧樹脂變成含有鹼基團的樹脂，然後利用鹼或者酸來中和成為鹽來水性化的方法。其中利用鹼中和的方法應用的比較多，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氧樹脂上的雙鍵進行加成反應，最後用鹼來中和成為鹽，最終得到水性環氧樹脂乳液。

    2·水性環氧丙烯酸乳液的合成和應用性能分析

    在環氧樹脂的水性改性中對於環氧基的處理比較靈活，在固化反應中除了環氧基和固化劑發生交聯之後，還可以依靠引進的羧基、羥基等官能團和固化劑發生交聯固化。在環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氧樹脂酯化反應來生成環氧酯，環氧樹脂還可以和幹性油脂酸酯化而得到環氧酯底漆。環氧丙烯酸酯型是其中應用最為廣泛的方法，可以利用丙烯酸類的單體或者聚合物和環氧樹脂發生接枝共聚，生成具有酸性基團的環氧丙烯酸樹脂，然後用鹼中和[4]。環氧樹脂和異氰酸酯預聚物反應之後可以得到含有氨基、羧基、羥基的環氧異氰酸酯樹脂。

    在合成環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滿足漆膜特性的要求。在合成水性環氧丙烯酸乳液之前，首先應當合成水性環氧丙烯酸樹脂。其原材料主要有工業級的丙烯酸、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、環氧樹脂、過氧化苯甲醯[5]。在安裝有溫度計、回流冷凝器以及攪拌器的四口燒瓶中加入環氧樹脂和丁醇等，加熱到110℃，均勻攪拌的狀態下加入有過氧化苯甲醯的混合單體，加入完成之後，保溫至轉化率大於98%。然後加入乙二醇醚類溶劑、二甲基乙醇胺，此時環氧丙烯酸樹脂的pH值達到7~7.5，然後用水稀釋達到其固含量的50%±2%，然後得到淡黃色透明粘稠狀的水性環氧丙烯酸樹脂。水性環氧丙烯酸塗漆的配料如下表所示：

    製作工藝，將水性環氧丙烯酸樹脂、專用稀釋劑、分散劑投放到調漆缸中，攪拌均勻後加入顏填料，分散均勻之後用砂磨機研磨，其細度達到≤30μm，然後再加入水性環氧丙烯酸樹脂、水性氨基樹脂、稀釋劑攪拌均勻之後，過濾即得到成品。在合成環氧丙烯酸樹脂的過程中，其關鍵是單體的選擇，可以選擇不同的單體組合來滿足塗料漆膜的使用要求。共聚物的玻璃化溫度對於合成成功與否具有密切的關係，在共聚物轉化的過程中，其許多物理性能都發生了劇烈的變化。可以根據推算出的共聚物的玻璃化溫度來調整環氧樹脂的硬度，並且加入羧基和羥基使其達到水溶性和交聯官能團[6]。在合成水溶性樹脂的方法中，可以用有機胺中和環氧丙烯酸樹脂上的羧基使其表現出水溶性。有機胺具有一定的揮發性，在塗料加工的過程中釋放出醇基，它能夠和塗料中的氨基樹脂發生反應，從而形成具有良好性能的交聯塗膜。胺的選擇不同，對於塗料的性能、粘度、塗膜固化以及貯存時的穩定性等都具有重要的影響。二甲基乙醇胺用量比較少，在使用之後塗膜的表面不容易形成缺陷，所以可以選擇二甲基乙醇胺來作為中和劑來提高環氧丙烯酸樹脂的水溶性，還要調節塗料的粘度和塗膜的流平性。可以通過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、乙二醇醚類溶劑來作為助溶劑。助溶劑和水按照一定的比例混合使用，得到的塗料在施工的過程中粘度合適、固體分高，而且塗膜的外觀和流平性比較好。由於乙二醇醚類溶劑對人體的健康具有危害性，在實際生產中可以用丙二醇醚類溶劑來替代。環氧丙烯酸樹脂和水性氨基樹脂能夠交聯成膜，最終成為不溶不熔的塗膜，氨基樹脂的用量對塗膜的物理性能如硬度、耐衝擊性附著力等具有重要的影響。水性塗料用水來作為溶劑，而且大部分樹脂都表現出弱鹼性，水性塗料在顏料的使用上和傳統的溶劑型塗料的使用存在比較大的不同。對於水性塗料來說，其顏料要滿足在水中不發脹、耐高溫以及遇水不返粗，其酸鹼度接近中性等。如果pH太高，容易造成樹脂皂化；如果pH值太低，容易導致樹脂分層。

    對於塗料的性能來說，其質量的好壞和成膜的底料具有密切的關係，成膜物質決定了塗層的理化性能。合成工藝對於乳液的水分散穩定性具有重要的影響，為了得到良好的實驗效果，要選擇使用合適的原料合成工藝，從而得到性能優異的塗膜。在合成的過程中聚合穩定對於聚合穩定性和產品的質量具有重要的影響，溫度是其中關鍵的因素。如果反應的溫度過高，就容易導致引發劑的分解速度加快。在環氧樹脂和丙烯酸單體的共聚反應中，存在著羧基單體之間的共聚反應和羧基單體和環氧樹脂的共聚反應。如果反應溫度不同，那麼反應的程度也不一樣，反應程度高的，環氧樹脂上的羧基單體就比較多，導致其水溶性也比較好；如果其接枝上的羧基數量比較少，那麼環氧樹脂的穩定性和水溶性也就比較低。當溫度比較低的時候，反應的轉化率比較低，這主要是由於引發劑在達到分解溫度的時候產生自由基，而自由基在反應的過程中需要一定的能量。當溫度比較低的時候，外界的能量也比較低，不利於接枝反應，這種情況下主要發生的是丙烯酸單體之間的共聚反應。當溫度比較高的生活，引發劑的分解速度加快，反應所需要的能量也足夠，最終使水洗環氧樹脂乳液的穩定性降低，外觀呈現出微黃色。

    環氧丙烯酸乳液的穩定性受溫度的影響比較大，在低溫時乳液的穩定性比較好，即便存在分層也可以利用攪拌的方法快速復原。在20~60℃時，容易發生分層而變質的現象，在恆溫70℃的環境下其穩定性比較好，所以可以選擇加入一定量的殺菌劑之後進行低溫保存。水性環氧丙烯酸乳液在生產和生活中種類非常多，而且應用也非常廣泛。利用水性環氧樹脂配製的水性塗料具有比較獨特的性能，具有良好的耐腐蝕性、裝飾性和保色性等特點，在鋼材和人行車道的保護等方面應用比較多。水性環氧塗料還可以用來進行新舊混凝土的粘接，提高抗化學品腐蝕和抗機械損傷的性能。

    3·結束語

    利用丙烯酸酯類的單體來改變環氧樹脂的性質，使其表現出親水性，能夠更加滿足生產和生活的需要。在合成工藝的過程中要注意控制溫度、溶劑等條件，因為溫度和溶劑的不同都會影響到水性環氧丙烯酸乳液的性質和穩定性。此外水性環氧丙烯酸由於添加的單體不同，還可以生成其它結構的物質，例如苯乙烯-丙烯酸共聚乳液是專門為水性罩光清漆和印刷油墨而研製的，可以替代溶劑型油墨的水性凹版印刷油墨，因此應當進一步的加強對水性環氧丙烯酸乳液的合成技術和性質的研究，提高其性能，更好的為生產和生活服務。

    參考文獻

    [1]金雪玲.水性環氧丙烯酸乳液的合成研究[J].現代塗料與塗裝，2009，12(9):11-13.

    [2]嶽成，滕業方，曾猛，等.環氧改性丙烯酸乳液的製備及性能研究[J].廣西輕工業，2011，27(12):26-27.

    [3]王安民，張宜恆，孫道興，等.乳化劑在水性環氧-丙烯酸酯雜化乳液合成中的應用[J].現代塗料與塗裝，2009，12(3):1-3.

    [4]劉勝波，王威，張瑜，等.含磷環氧丙烯酸防腐乳液的合成及其塗料的製備[J].現代塗料與塗裝，2013，(9):10-12.

    [5]張玉芳，孔令奇，周春華，等.水性環氧丙烯酸乳液的合成與表徵[J].濟南大學學報（自然科學版），2009，23(2):162-165.

    [6]周華利，殷錦捷，孫洪梅，等.納米複合改性水性環氧塗料的研製[J].電鍍與塗飾，2011，30(6):62-64.

責任編輯：張雪