水性环氧丙烯酸乳液的性能及合成技术分析

http://www.pcrm.hc360.com2015年01月14日09:42 来源:中国环氧树脂与固化剂网 T|T

    慧聪涂料原料网讯:水性环氧树脂体系能够有效的降低挥发性有机物的使用,符合环保要求,因此在工业生产和生活中得到了广泛的应用。密切常用的环氧树脂涂料大部分是溶剂型的,其中的挥发物则含有易燃易爆的有毒物质,在挥发的过程中直接排放到大自然中,在阳光的作用下会形成烟雾或者酸雨,对环境产生了比较大的破坏作用。水性涂料以及高固体份涂料等环保型的涂料日益得到了人们的重视,因此得到了比较快的发展,而且水性涂料在使用的过程中还具有节省资源、有机物排放量比较低的优点。

    1·环氧树脂的性能简介

    环氧树脂是常用的热固性树脂,在热固性树脂中的用量比较大,而且应用比较广泛。在环氧树脂中含有独特的环氧基、羟基以及醚键等活性基团,所以能够表现出优异的性能。环氧树脂具有许多种类,而且性能各异,还具有非常多的改性剂、促进剂、添加剂等,可以组成多种组合,从而得到性能不同的环氧固化体系,能够满足各种性能和工艺的要求[1]。

    环氧树脂具有良好的力学性能,其分子结构紧密,具有非常强的内聚力,其力学性能比不饱和的聚酯树脂、酚醛树脂等热固性树脂优良的多。而且还具有黏结强度高,粘接性能优异等优点,其中含有的羟基、环氧基、醚键等具有比较大的活性,决定了其良好的黏接强度,可以用来作为结构胶。对于大部分金属和非金属材料都具有良好的粘接性,例如木材、玻璃、陶瓷等。但是大部分环氧树脂都不能溶于水,对环境有比较大的危害,给其施工、运输以及存储等都带来了不便,因此用水来作为溶剂的水性环氧树脂受到了人们的重视[2]。水性环氧树脂不但对环境比较友好,而且可以在潮湿的界面上施工,而且使用简单,对于施工环境的要求不高,便于清洗、存储等优点,因此成为了环氧树脂发展的主要方向。

    环氧树脂的分子结构中含有羟基、环氧基以及醚键等基团,从而表现出了一系列优异的物理性能,例如具有良好的绝缘性能和机械性能以及耐化学性能等,在复合材料基体、胶粘剂、涂料等方面得到了广泛的应用。为了进一步的提高其使用性能,降低环氧树脂材料对于环境的危害,加强其水溶性研究非常重要。环氧树脂的水性改善是在环氧树脂的大分子上加入强的亲水基团,然后使其具有自乳化和水溶性的功能,常见的水性改性剂有羟基、氨基、羧基等化合反应[3]。对环氧树脂水性化的重要方法是成盐的方法,在其分子的骨架上引入极性基团,然后使其亲水因子在水中分散。具体的操作中可以先把环氧树脂变成含有碱基团的树脂,然后利用碱或者酸来中和成为盐来水性化的方法。其中利用碱中和的方法应用的比较多,如:利用不包含的脂肪酸、丙烯酸类单体和聚合物等化合物,其次还可以利用二元酸和环氧树脂上的双键进行加成反应,最后用碱来中和成为盐,最终得到水性环氧树脂乳液

    2·水性环氧丙烯酸乳液的合成和应用性能分析

    在环氧树脂的水性改性中对于环氧基的处理比较灵活,在固化反应中除了环氧基和固化剂发生交联之后,还可以依靠引进的羧基、羟基等官能团和固化剂发生交联固化。在环氧树脂的水性化方法中,有多种方法可以选择,例如可以引入不饱和的脂肪酸和环氧树脂酯化反应来生成环氧酯,环氧树脂还可以和干性油脂酸酯化而得到环氧酯底漆。环氧丙烯酸酯型是其中应用最为广泛的方法,可以利用丙烯酸类的单体或者聚合物和环氧树脂发生接枝共聚,生成具有酸性基团的环氧丙烯酸树脂,然后用碱中和[4]。环氧树脂和异氰酸酯预聚物反应之后可以得到含有氨基、羧基、羟基的环氧异氰酸酯树脂。

    在合成环氧丙烯酸乳液的过程中,单体的选择十分重要,可以选择不同的单体组合来满足漆膜特性的要求。在合成水性环氧丙烯酸乳液之前,首先应当合成水性环氧丙烯酸树脂。其原材料主要有工业级的丙烯酸、丙烯酸羟丙酯、丙烯酸丁酯、苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、二甲基乙醇胺、丁醇、乙二醇醚类溶剂、环氧树脂、过氧化苯甲酰[5]。在安装有温度计、回流冷凝器以及搅拌器的四口烧瓶中加入环氧树脂和丁醇等,加热到110℃,均匀搅拌的状态下加入有过氧化苯甲酰的混合单体,加入完成之后,保温至转化率大于98%。然后加入乙二醇醚类溶剂、二甲基乙醇胺,此时环氧丙烯酸树脂的pH值达到7~7.5,然后用水稀释达到其固含量的50%±2%,然后得到淡黄色透明粘稠状的水性环氧丙烯酸树脂。水性环氧丙烯酸涂漆的配料如下表所示:

    制作工艺,将水性环氧丙烯酸树脂、专用稀释剂、分散剂投放到调漆缸中,搅拌均匀后加入颜填料,分散均匀之后用砂磨机研磨,其细度达到≤30μm,然后再加入水性环氧丙烯酸树脂、水性氨基树脂、稀释剂搅拌均匀之后,过滤即得到成品。在合成环氧丙烯酸树脂的过程中,其关键是单体的选择,可以选择不同的单体组合来满足涂料漆膜的使用要求。共聚物的玻璃化温度对于合成成功与否具有密切的关系,在共聚物转化的过程中,其许多物理性能都发生了剧烈的变化。可以根据推算出的共聚物的玻璃化温度来调整环氧树脂的硬度,并且加入羧基和羟基使其达到水溶性和交联官能团[6]。在合成水溶性树脂的方法中,可以用有机胺中和环氧丙烯酸树脂上的羧基使其表现出水溶性。有机胺具有一定的挥发性,在涂料加工的过程中释放出醇基,它能够和涂料中的氨基树脂发生反应,从而形成具有良好性能的交联涂膜。胺的选择不同,对于涂料的性能、粘度、涂膜固化以及贮存时的稳定性等都具有重要的影响。二甲基乙醇胺用量比较少,在使用之后涂膜的表面不容易形成缺陷,所以可以选择二甲基乙醇胺来作为中和剂来提高环氧丙烯酸树脂的水溶性,还要调节涂料的粘度和涂膜的流平性。可以通过加入少量的醇和醇醚类亲水性助溶剂的方法,在本方法中选择使用丁醇、乙二醇醚类溶剂来作为助溶剂。助溶剂和水按照一定的比例混合使用,得到的涂料在施工的过程中粘度合适、固体分高,而且涂膜的外观和流平性比较好。由于乙二醇醚类溶剂对人体的健康具有危害性,在实际生产中可以用丙二醇醚类溶剂来替代。环氧丙烯酸树脂和水性氨基树脂能够交联成膜,最终成为不溶不熔的涂膜,氨基树脂的用量对涂膜的物理性能如硬度、耐冲击性附着力等具有重要的影响。水性涂料用水来作为溶剂,而且大部分树脂都表现出弱碱性,水性涂料在颜料的使用上和传统的溶剂型涂料的使用存在比较大的不同。对于水性涂料来说,其颜料要满足在水中不发胀、耐高温以及遇水不返粗,其酸碱度接近中性等。如果pH太高,容易造成树脂皂化;如果pH值太低,容易导致树脂分层。

    对于涂料的性能来说,其质量的好坏和成膜的底料具有密切的关系,成膜物质决定了涂层的理化性能。合成工艺对于乳液的水分散稳定性具有重要的影响,为了得到良好的实验效果,要选择使用合适的原料合成工艺,从而得到性能优异的涂膜。在合成的过程中聚合稳定对于聚合稳定性和产品的质量具有重要的影响,温度是其中关键的因素。如果反应的温度过高,就容易导致引发剂的分解速度加快。在环氧树脂和丙烯酸单体的共聚反应中,存在着羧基单体之间的共聚反应和羧基单体和环氧树脂的共聚反应。如果反应温度不同,那么反应的程度也不一样,反应程度高的,环氧树脂上的羧基单体就比较多,导致其水溶性也比较好;如果其接枝上的羧基数量比较少,那么环氧树脂的稳定性和水溶性也就比较低。当温度比较低的时候,反应的转化率比较低,这主要是由于引发剂在达到分解温度的时候产生自由基,而自由基在反应的过程中需要一定的能量。

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