水性环氧树脂

水性环氧树脂的制备

姓名默蓬勃学号 050821102

摘要：本文对环氧树脂进行了简介，对水性环氧树脂的制备方法做了系统的总结，其中包括物理方法和化学方法，并介绍了水性环氧树脂的的改性的制备方法及应用。

关键词：水性环氧树脂；制备；改性；应用

1引言

作为三大通用型热固性树脂[环氧树脂（EP）、酚醛树脂（PF）和不饱和聚酯树脂]之一，EP 自1947 年问世以来，一直在人们生活的各个领域中扮演着重要角色。由于EP 中含有独特的环氧基，以及羟基、醚键等活性基团和极性基团，因而具备很多优异的性能。与其他热固性树脂相比，EP 的力学性能优异，作为胶粘剂使用时有着较高的粘接强度。此外，EP固化剂的种类繁多，再加上众多的促进剂、改性剂和添加剂等，通过各种组合和调配可以获得几乎能满足所有使用性能和工艺性能要求的固化产物，这是其他热固性树脂所无法比拟的[1]。环氧树脂是指分子结构中含有环氧基团的聚合物，用途广泛，具有很多优异的性能，受到广泛关注。传统溶剂型的环氧树脂，在使用过程中释放大量的有机污染物（VOC），对环境造成污染。近年来，随着人们生活水平的提高，环保意识的增强，不含有机溶剂（VOCfree）或低VOC、或不含HAP（有害空气污染物，Hazardous Air Pollutants）的系统成为新的方向。所谓水性EP 是指通过物理或者是化学的方法使EP 以微粒或液滴的形式分散在以水为连续相的分散介质中而配得的稳定分散体系。与传统的EP相比，水性EP 不仅满足当前环境保护的要求，而且操作性能较好，尤其是它可以与其他水性体系配合使用，因而可以达到相互弥补，充分发挥各自性能的目的。水性EP 的突出优势还表现在该混合体系可在室温和潮湿的环境中固化，有合理的固化时间，并有较高的交联密度，这是常见的水性丙烯酸和水性聚氨酯涂料所无法比拟的[2]。

2水性环氧树脂的制备

EP 尽管含有一定数量的极性基团，但是由于其较长的非极性分子主链的存在使得它本身并不能溶解在水中。要制备稳定的水性EP 体系，必须在其分子链中引入强的亲水基团（如羟基、羧基等）或者是在水性体系中加入一些同时亲水和亲油的组分（乳化剂）[3]。水性EP（准确地讲，应该是分散在水中的EP胶液），可分为水乳型EP 胶液（EP水乳液）和水溶性EP 胶液（EP 水溶液）两类。其制备方法有两种：乳化剂乳化法和自乳化法。

2.1乳化法

2.1.1乳化剂乳化法

乳化剂是表面活性剂的一种，在结构上同时含有亲水以及亲油组分。它的HLB 值是影响其乳化性能及其乳化效果的决定性因素。因此，想要得到稳定的乳

液，必须选择具有合适HLB 值的乳化剂。对于EP 而言，可选择的乳化剂有很多种，常见的主要有：聚氧乙稀烷基酚缩合物类，如聚氧乙稀烷基酚醚；聚氧乙烯脂肪醇缩合物类，如脂肪醇环氧乙烷缩合物；聚氧乙烯蓖麻油缩合物，如蓖麻油环氧乙烷缩合物等。当EP 和水混合在一起时，由于极性的巨大差异，两者会自发地分成两相。在加入乳化剂之后，其上的亲水基团溶于水，憎水基团溶于树脂，经强烈的搅拌剪切作用，EP 会以微粒的形式存在于水相之中，从而形成稳定的EP 乳液[4]。

2.1.2 自乳化法

自乳化法也称为化学改性法，它指的是在EP的大分子主链上通过化学反应的手段（嵌段或者是接枝反应）引入各种强的亲水基团，使其成为既亲水又亲油的两亲性的聚合物，从而具有水溶性或者是自乳化功能。常见的亲水改性剂是含有羟基、羧基、氨基、磺酸基和酰胺基化合物。水性化改性的方法主要有两大类：一类是把EP 改性为含富酸基团的树脂（环氧酯），再用碱中和成盐，使之水性化；另一类是把EP 改性为含富碱基团的树脂（环氧酯），再用酸中和成盐，使之水性化。所以又称为成盐法[5]。自乳化法得到的EP 的粒径为纳米级，因而具有更好的应用价值。改性后的EP 可以与水形成水溶液，也可以作为乳化剂组分与未改性的EP 制成水乳液。水性化改性的EP 中可以保留也可以不保留环氧基，其固化可以依靠环氧基与固化剂交联固化，也可以靠引进的羟基、双键和羧基等官能团与相应的引发剂或固化剂交联固化，还可以不加交联剂自行成膜。

2.2 机械法[6]

机械法是直接乳化法。用球磨机、胶体磨、均氏器等将环氧树脂预先磨成微米级的环氧树脂粉末，然后在加热的情况下加入乳化剂的水溶液，再通过高速搅拌等分散手段将树脂粒子分散在水中形成水分散体。很好理解这种方法制备水性环氧树脂关键是选择合适的乳化剂，常用的乳化剂有聚氧乙烯烷基醚、聚氧乙烯烷基酯或自制的活性乳化剂。此法工艺简单，乳化剂用量也较少。但是所形成乳液中粒子尺寸较大，粒子形状不规则而且尺寸分布较宽，可以达到50μm。所制得的乳液稳定性不好，其成膜性能亦不好。

2.3 相反转法[7]

相反转法，即通过相反转将聚合物从油包水状态变成水包油状态，是一种制备高分子树脂乳液较为有效的方法，几乎可以将所有高分子树脂通过外加乳化剂的作用制得相应的乳液。相反转制备水性环氧乳液的具体过程是，在高速剪切作用下将外加的乳化剂和环氧树脂混合均匀，然后在一定的剪切条件下加入蒸馏水，随着体系中水的增加，体系将由油包水转向水包油，当体系粘度突然降低或电导率不再增大时为相反转点，按照固含量要求继续在搅拌情况下加入蒸馏

水，从而形成均匀稳定的水可稀释体系。相反转法的优点是工艺简单，成本低，易于实现工业化生产。制备的乳液粒子粒径较低，可以达到1~2μm，甚至更小，达到300nm。目前相关报道较多，这种方法的关键仍是乳化剂的选择，目前趋向于用改性的环氧树脂为乳化剂。这种改性的环氧树脂一端引入了亲水基团如羟基、胺基、羧基，另一端又保留了环氧基等环氧树脂的特点，因而是一种乳化剂并且和环氧树脂相容性很好。然后将制备的乳化剂和环氧树脂混合，用相反转方法制备水性环氧树脂。这种方法的好处是可用不同分子量的环氧树脂和不同分子量（或不同的亲水基团）的亲水有机物来制备一系列乳化剂，这就涉及到选择和优化的问题，往往通过实验研究能够制备性能好的水性环氧树脂。

3 环氧树脂水性化化学改性方法

常用的化学改性方法有自由基接枝改性法和功能性单体扩链法, 即通过适当的方法在环氧树脂分子中引入羧酸、磺酸等功能性基团, 再中和成盐。

3.1自由基接枝改性法

自由基接枝改性法是利用双酚A环氧树脂分子链中的亚甲基活性较大, 在过氧化物作用下易于形成自由基, 能与乙烯基单体共聚, 可将丙烯酸、马来酸酐等单体接枝到环氧树脂分子链中, 再中和成盐。黄先威, 等[ 8]以BPO为引发剂, 引发由E- 44环氧树脂、甲基丙烯酸、丙烯酸丁酯和苯乙烯组成的反应体系, 合成了环氧- 丙烯酸多元接枝共聚物, 并向其中加入w ( NH3 ) = 28%的氨水, 调节pH 值为7~ 9, 得到水性环氧- 丙烯酸乳液, 进一步制得水性环氧涂料。并对该涂料的各项性能进行测定, 实验结果表明, 苯乙烯单体的引入, 可增大涂层的附着力, 提高涂层的耐冲击性, 且该涂料附着力、耐冲击性、耐腐蚀性等各项性能良好。孙再武等[9]以甲基丙烯酸、苯乙烯和丙烯酸乙酯(比例为65: 34: 1)为混合单体与较高相对分子质量的环氧树脂接枝共聚制备了环氧接枝丙烯酸水分散体树脂, 并以此为基料与水性环氧固化剂复配制备了高性能水性环氧自流平地坪涂料。该涂料提高了单一环氧树脂的耐候性、耐久性, 所制漆膜具有良好的丰满度、硬度(可达3H )和耐酸碱性能, 解决了地坪涂料在潮湿基面施工难的问题和漆膜硬度过低的缺陷。Robinson和Woo, 等将丙烯酸酯单体接枝到环氧树脂的分子骨架上, 制得不易水解的水性环氧树脂。应用自由基聚合机理, 接枝位置为环氧分子链上的脂肪碳原子, 接枝率低于100%, 最终产物为未接枝的环氧树脂、接枝的环氧树脂和聚丙烯酸酯的混合物, 这三种聚合物分子在溶剂中舒展成线型状态, 加人水后, 由于未接枝共聚物和水的不混容性, 在水中形成胶束, 接枝共聚物的环氧链段和与其相混容的未接枝环氧树脂处于胶束内部, 接枝共聚物的丙烯酸酯共聚物羧酸盐链段处于胶束表层, 并吸附了与