环氧树脂的水性化技术与研究进展（水性环氧树脂固化剂的制备及其与乳液相容性的研究）

环氧树脂作为重要的热固性树脂品种之一，与多种基材有较强的粘结性，耐热性、电绝缘性和耐化学腐蚀性优异，具有固化物力学强度高、固化收缩率低、吸水率低等特点，广泛用作复合材料基体树脂，在航空、航天、军工、建筑、电子电器、汽车、家电等领域有着广泛的应用。随着环保要求和人们环保意识的日益提高，传统环氧树脂不溶于水只溶于有机溶剂的特性很大程度上限制了其应用，但为水性环氧树脂的应用与发展提供了机会。

目前水性环氧树脂在涂料行业应用较为广泛，如用作电泳涂料、金属底漆、地坪涂料、金属防腐蚀涂料、绝缘涂料以及食品罐头内壁涂料等，显示出优异的耐化学品性，较好的耐热性和电绝缘性，极强的漆膜附着力以及极好的保色性等。水性环氧树脂涂料体系主要分为固化剂乳化环氧体系和双组分环氧体系，分别称为Ⅰ型水性环氧涂料体系和Ⅱ型水性环氧涂料体系。Ⅰ型水性环氧涂料体系是由低相对分子质量液态环氧树脂和水性环氧固化剂组成，其中水性环氧固化剂不仅承担固化环氧树脂的作用，还有乳化低相对分子质量液态环氧树脂的作用；Ⅱ型水性环氧涂料体系是由水性环氧树脂乳液和水性环氧固化剂组成，这里的水性环氧固化剂只有固化作用，这类体系的关键问题是固化剂与水性环氧树脂乳液的匹配性。目前国内对Ⅱ型水性环氧树脂涂料体系中水性环氧树脂固化剂的研究较少，也没有推出较好的市场化产品。水性环氧树脂乳液与固化剂的相容性问题是制约双组分水性环氧树脂涂料体系应用的关键性问题。早年间主要的研究还停留在环氧树脂水性化上，与之匹配的固化剂很少，或者是直接使用Ⅰ型环氧树脂涂料体系中的固化剂。本研究解决了固化剂与乳液的相容性问题。

用TAInstrumentQ800型动态热机械测试仪对涂膜进行动态力学性能（DMA）测试。测试手段为拉伸模式，模式为多频应变下的温度斜坡频率扫描，升温速率3℃/min，测试频率1Hz，温度扫描范围为0~200℃。

用德国耐驰公司TG209F1型热分析仪对涂膜进行热失质量分析。N2气氛，测试温度为30~800℃，升温速率为10℃/min。

按照GB/T1733—1993测试涂膜的耐水性，观察涂膜是否出现发白或者起泡。按照GB/T9274—1988测定涂膜的耐酸碱性，观察涂膜是否出现脱落或者起泡。按GB/T6739—2006测定涂膜的铅笔硬度，用上海现代环境工程技术有限公司PPH-1型铅笔硬度计进行测试。

2.1 反应时间对环氧值的影响

实验考察了合成过程中固化剂环氧值的变化，以环氧树脂E-51滴加完成为起点开始测定环氧值，结果如图1所示。

图1 环氧保留率随时间的变化

由图1可知，环氧保留率随反应的进行逐渐降低，反应前4h，环氧保留率下降很快，说明反应速率快，反应程度接近80%，随后环氧保留率下降速度降低，反应仍在进行，延长反应时间以达到较高的反应程度，12h后反应程度达到95%左右，结束反应。所以待环氧树脂E-51滴加完全后的反应时间应控制在12h。

2.2 未中和固化剂的结构表征

图2 E-51和固化剂的红外光谱

图2a中915cm-1是环氧结构的特征吸收峰，3468cm-1是环氧树脂主链上仲羟基的伸缩振动吸收峰，831cm-1是苯环对位取代的的特征吸收峰；合成的固化剂与E-51对比，915cm-1处的环氧结构特征峰消失，说明合成反应完全。由于氢键缔合作用，固化剂浓度较高时，—OH伸缩振动吸收峰向低波数方向移动，所以在3400~3200cm-1区间出现强且宽的伸缩振动吸收峰。固化剂中的—NH2同时会和羟基发生缔合作用，—NH2对称和反对称伸缩振动吸收峰也处在3250~3400cm-1区。

图3 固化剂的1H-NMR谱图

由图3可知，δ=7.08归属于苯环，δ=3.84归属于与羟基相连接的次亚甲基，δ=3.44归属于与氧原子相连的亚甲基，δ=1.57归属于与叔碳相连的甲基，δ=1.07归属于羟基，环氧基团上与氧相连的亚甲基信号（δ=2.54）消失，结合红外的氨基峰证明了固化剂成功合成。

2.3 固化剂中和度对水性环氧树脂乳液固化性能的影响

固化剂分子中含有疏水环氧结构，使得自制的固化剂与水性环氧树脂有很好的相容性。合成的固化剂中含有4个氮原子，均可以与乙酸中和，从而增强其亲水性。但是亲水性太强，影响固化剂与环氧树脂的相容性，为了得到最佳的中和度，实验用乙酸中和固化剂，考察了中和度分为0、50%、75%、100%对固化剂性能的影响，结果如表1所示。

表1 中和度对固化剂性能的影响

从表1可以看出，未经中和的固化剂黏度较大，在水性环氧树脂乳液中分散性差，体系为两相不相容状态，无法发生固化交联。中和度达到100%时，对水性环氧树脂乳液起到稀释作用，乳液黏度降低，固化困难。中和度为50%和75%的固化剂与乳液的相容性较好，均可固化水性环氧树脂乳液，因此对50%和75%中和度的固化剂进一步研究。

2.4 涂膜的力学性能及热力学性能表征

用中和度分别为50%和75%的固化剂固化自制的水性环氧树脂乳液，所得产物在室温下成膜。图4为涂膜的tanδ-温度曲线，图5为涂膜的储能模量-温度曲线，图6为涂膜的TGA曲线。

图4 涂膜的tanδ-温度曲线

由图4可知，用中和度为50%的固化剂固化所得涂膜的玻璃化转变温度（93.31℃）高于中和度为75%的固化剂固化所得涂膜的玻璃化转变温度（84.43℃），可以推断出前者与自制乳液的相容性更好，固化剂更容易在乳液中扩散，氨基与环氧基团的接触几率增加，使得乳液固化程度要高于后者的固化程度，中和度为50%的固化剂固化所得的涂膜致密性更高。

从图5也可以看出，中和度为50%的固化剂固化产物的储能模量要高于中和度为75%的固化剂的固化产物，说明前者涂膜的强度要高于后者，从而进一步证明前者固化程度要高于后者，前者固化剂与乳液相容性更好。

由图6可知，中和度为50%的固化剂所得涂膜的起始分解温度（323℃）高于中和度为75%的固化剂所得涂膜（282℃），前者的热稳定性略高于后者，说明前者的固化程度要高于后者。该结论与图4和图5相吻合。

图5 涂膜的储能模量-温度曲线

图6涂膜的TGA曲线

2.5 涂膜的性能

用自制的中和度分别为50%、75%的固化剂固化自制水性环氧树脂乳液，成膜后分别记为A、B，涂膜的性能见表2。

表2 涂膜的性能

从表2可知，涂膜A的吸水率低于涂膜B。中和度为50%的固化剂与乳液的相容性好，对乳液的固化程度高，涂膜的致密性高，这是因为固化剂中含有的亲水性基团几乎全部包埋在涂膜中，所以平衡吸水率低，涂膜耐水性好。

涂膜A与B的耐酸碱性均合格，说明环氧树脂固化物具有优良的化学稳定性。涂膜A的铅笔硬度高于涂膜B，是因为前者与环氧乳液的相容性匹配性要优于后者，有助于固化反应程度的提高，因此涂膜硬度较好。

本研究成功合成了水性环氧树脂固化剂，并通过FT-IR和1H-NMR表征了其结构。实验表明，该固化剂解决了乳液与固化剂的匹配性问题，同时验证了中和度为50%的固化剂与自制乳液的相容性更好，涂膜的热稳定性、耐水性、耐酸碱性、铅笔硬度更优。