低温固化环氧涂料胺固化剂

低温固化环氧涂料胺固化剂

D.J.Weinmann等

(王志扬译艾田校)

有目标的改进用作低温固化涂料的环氧/胺漆基体系是技术开发的一个有活力的领域。低温固化的环氧涂料可以延长施工季节，因为这类涂料当气温降到50°F(10℃)以下时仍然可以施工。本文从用于低温固化环氧/胺涂料体系的固化剂技术的基本看法入手进行讨论。对几种低温固化剂与标准的液体环氧树脂拼用的涂料性能进行了研究。该漆基体系在40°F(4.5℃)时的固化速率采用差示扫描热量仪(DSC)连续测试一周期(14天)。得到了在标准室温条件下(2 5℃，55%相对温度)以及在低于标准室温、高湿度条件下(10℃，相对湿度90%和4.5°C，相对湿度80%)固化的清漆漆膜性能。本研究还就低温固化环氧涂料的新途径进行研讨。该新途径是采用低温固化剂拼用聚丙烯酸酯环氧树脂。

结果表明这类新的基料体系可以改善漆的透明度，抗发白性，以及在低温高湿条件下能良好地固

在当今的市埸天地里，环氧/胺涂料的配方设计者们面临着双重挑战，即既要满足 VOC法规的要求，又要优化涂料的性能/价格比(相对于以往的工业标准而言)。传统的环氧聚酰胺涂料已在工业上使用了40多年，效果也不错。但是，人们仍以较新的固化技术来克服聚酰胺的某些常见的局限性。近年来，这些新的固化技术已获得专门用于低温固化环氧涂料的胺类固化剂。低温固化的涂料其施工期可以延长至秋季或早冬月份，因为涂料的施工甚至当气温降到10℃以下时还可

本文提供了对低温环氧涂料固化技术的总的看法。对四种低温胺固化剂固化的清漆漆膜的性能进行了测定。这类漆基的固化速度率用差示扫描热量仪(DSC)进行监测。本文总结了对低温环氧/胺涂料配制新途径的评价。这个新途径是采用低温固化剂与聚丙烯酸酯环氧树脂并用。该法改善了漆膜的透明性、抗发白性、以及在低温、高湿条件下的固化性能。不过，同时存在的一个问题

环氧/胺促进剂(≤10℃)施工的环氧/胺涂料，要缩短干燥时间与提高其固化速率的一种办法就是促进环氧-胺的反应。环氧-胺反应的简化如反应式1所示：

有几类化学品可以加速这种交联反应，例如：有机酸(如水杨酸，或苯甲酸)，叔胺类(如BDMA 即苄基二甲胺或三-2，4，6二甲胺甲酚)，醇类(如甲醇)，水，烷基取代酚(如壬基酚、双酚-A)和脂族伯胺(如DETA即二乙基三胺，TETA即三乙基四胺)。为获得合适的固化速率所需要的促

胺类固化剂的传统主产品是多胺基胺类(或聚酰胺类)。聚酰胺类可有于下面各种涂料应用领域：海洋涂料，工业防护涂料，贮水器及水处理涂料，纸浆及纸涂料，设备涂装，以及交通运输涂料。聚酰胺是由二聚脂酸同多元乙基胺例如DETA或TETA反应而制取的。通常在温度13℃以下施工时不采用聚酰胺，因为这时它的反应缓慢。环氧/聚酰胺体系如果采用酚叔胺例如三-2，4，6-(二甲基胺甲基)酚作为固化促进剂则有可能获得低温(7～10℃)下可行的固化速率。但是，为使涂膜具有较好性能(如耐水性、抗腐蚀性和耐化学性)，涂膜中的促进剂含量必须尽量少。加有促进剂的环氧/

低温胺固化剂除了要满足干燥时间和固化速率方面的要求以外，还要考虑到涂层的抗发白以及防水斑的要求。伯胺同空气中的二氧化碳和水反应形成氨基甲酸酯，后者会渗到涂层的表面并发白。表面发白(有时也叫起雾或发汗)会损害涂层的性能，因为它会导致光泽下降、黄变性增加、重涂性变差、层间附着力下降。低温高湿条件下发白的可能性会增加。氨基甲酸酯的形成反应见反应式2

为了尽量减少氨基甲酸酯的形成和改善早期的抗水斑性，固化剂的制造者们已经开发出各种改性胺加成物。这些加成物可减少或消除发白的产生，因为伯胺上的氢预先被环氧反应掉了。胺加成物是由过量的伯胺同环氧树脂反应而制得。液体环氧树脂与脂族多胺之间的反应见反应式3

反应式2，由胺与湿空气形成氨基甲酸酯

多种胺固化剂与环氧树脂被用来制取胺加成物。某些最常用的脂肪族胺和脂环族胺包括:二乙基三胺(DETA),三乙基四胺(TETA),四乙基五胺(TEPA),异佛尔酮二胺(IPDA),双-对-氨基环己基甲烷(PACM)和1,2-二氨基环己烷(1,2-DACH)。环氧树脂方面可以从液体环氧树脂到固体环氧树脂。由于胺加成物的分子量得到增加,所以比起未改性的母体胺,其腐蚀性与挥发性均较小。最重要的是胺加成物不易发生发白现象,因此它们特别适用于低温固化涂料。但是,伴随这些优点而来的不足是显著地增加了固化剂的粘度。为了得到较低的粘度,胺加成物要用溶剂来稀释或者加入增塑剂(例如苯甲醇)。用于低温固化时,为了末道漆的性能加速成长,胺加成物往往要加促进剂。

苯基烷基胺固化剂是3-(正-五-8’葵烯基)苯酚的衍生物,而后者是腰果壳油的主要成分。用这种组分(图1)已经研制出几种作低温固化剂的多官能苯基烷基胺。这类固化剂通常颜色较深,其色的深度与其分子量相关。粘度高。

这类固化剂是由胺同苯酚(或烷基酚)与甲醛的化合物反应得到的缩合物,人们通常叫它Mannich 碱。其反应见反应式4。

虽然这个反应减少了胺的官能度,而芳环上的羟基对环氧-胺反应却起着促进作用。在低温(3～7℃)下Mannich碱的固化作用很迅速。比起没有改性的烷撑胺,Mannich碱同环氧树脂的混溶性好,而且抗发白性及抗水斑性更好。在某些情况下,外加如壬基酚这样的酚类促进剂,可以进一步改善低温固化性。酚及胺的类型的选择决定着漆膜的性能。在某些埸合,加入增塑剂可以改善涂

膜的柔韧性,

低温固化剂的性能测试:

对几种市售的低温下使用的固化剂产品(附录I)性能进行了研究测定。在这个研究里采用一种苯基烷基胺固化剂作为对照物, 这是因为在工业上它的低温性能为大家所熟悉。固化剂1是一种低温下使用的改性胺加成物。固化剂2是一种胺加成物,它是以60%wt固体份的正丁醇/二甲苯溶液提供的。低温环氧涂料以它为固化剂时固化迅速而且有优秀的耐溶剂性。固化剂3是一种非酚类的改性Mannich碱,可使低温固化涂料快速固化。这些固化剂的物理性能如表1所示。

表1

本研究的第一部分是对这些固化剂固化标准的双官能度液体环氧树脂(WPE=198,附录1)性能进行评价。每一种漆料混合均匀并用混合溶剂(甲基异丁酮/二甲苯/正丁醇=1:1:1)稀释到Gardner H粘度。清漆混合5min,然后用一刮板刮涂到玻璃板上(干膜厚1.5mil,湿膜63μ),施工后涂膜立即放入恒温恒湿箱中。对涂膜的透明性、粘性以及铅笔硬度进行周期性测定,测定进行一个周期(二星期)。每种漆基体系均采用三种不同的环境条件进行固化:25℃,相对湿度

(RH)55%;10℃,RH90%,和4.5℃,RH 80%。检验结果汇总在表2中。

表2.固化环氧树脂时的性能

除了测定清漆漆膜的性能之外,我们还用差示扫描热量仪(DSC )测试漆基体系的固化速率。该测定法包括三步。第一步是通过DSC/TGA(热重分析)的联用对混合组份(不加溶剂)进行温度扫描范围的测定。测定结果表明,温度范围受固化放热所决定,在温度上限,失重仍然可以忽略不计(即小于1%重量份)

运用DSC/TGA(从-50到170F)确定温度扫描范围之后,在恒定加热速率(10℃/min)下以DSC扫描,对每种漆基体系的总反应热(△H)进行测定。达到温度上限后,将样品骤冷到-50℃,重新加热测定看是否有后固化现象出现。在所有的情况下,当每二次DSC扫描时都没有发现有后固化现

测试工作的最后一步是将一新混合好的样品装载于DSC器皿里并立即冷冻样品至-130℃(用干冰);同时制备齐七个样品,制备七个样品的总时间小于5min,将密封的DSC器皿贮存在4.5℃的冷冻器里至预定天数。到了规定的天数,从冷冻器中取出一个密封的样品并立即在0℃/min恒定升温速率下用DSC进行扫描测定。按此得到七个数据,画出一曲线,积分DSC扫描线下方的面积,得出漆基体系于4.5℃下经X天固化后的剩余反应热(△H),用下面方程式(1)来计算每个样品的反应程度(或固化%):

反应程度,%=(1-［△H/△H］×100) (1)

标准液体环氧树脂的DSC 分析结果见图2。