非离子型水性环氧树脂制备及其改性乳化沥青性能研究

2018年6月石油沥青PETROLEUMASPHALT第32卷第3期非离子型水性环氧树脂制备及其改性乳化沥青性能研究蔡丽却i’2，穆建音i’2，谢邦杜丄’2(1.山西省交通科学研究院，太原030006; 2.新型道路材料国家地方联合工程实验室，太原030006)摘要：采用亲核加成法制备了非离子型水性环氧树脂乳化剂，利用制备的乳化剂对环氧 树脂进行乳化得到尺寸均4、分布集中、稳定性好的水性环氧树脂乳液，所得乳液用于改性乳化沥青可以提高乳化沥青混合料的抗水损害能力。

关键词：水性环氧树脂改性乳化沥青随着经济的快速发展，我国迎来了公路建设 机遇期和公路养护高峰期。

“十三五”期间，我 国公路将有42 x104km的建设任务和458 x104 km的养护任务，这对道路石油沥青的性能提出了更高的要求。

乳化沥青混合料同常规热拌沥青 混合料相比，更加节能环保和安全，但是仍存在 黏结度低、柔韧性差、强度不够等缺点，因此，改善乳化沥青的粘结力、稳定性、弹性恢复能 力、抗变形能力等性能，成为乳化沥青应用推广 亟待解决的问题:1]。

而水性环氧树脂材料具有 环氧树脂热稳定性好、强度高和黏结力强、绿色 环保的特点，而且可溶于水或在水中分散，潮湿条 件下可固化，可以用作乳化沥青的改性剂。

水性 环氧树脂改性乳化沥青兼顾了环氧树脂和乳化沥 青的特点，具有较强的粘结性能、优良的高温稳定 性和弹性恢复能力、较高的抗压和抗变形能力、较 好的防水性能等优点，因此可广泛应用于道路建 养领域，水性环氧树脂改性乳化沥青的研究对于 我国道路交通建设的发展具有重要的意义>5]。

采用亲核加成法制备水性环氧树脂乳化剂，利用自制乳化剂采用相反转法乳化对环氧树脂进 行乳化，得到均匀稳定的水性环氧树脂乳液，研 究了乳化剂类型和用量对不同环氧树脂乳化能力 和水性环氧树脂性能的影响，进一步研究了水性 环氧树脂改性乳化沥青混合料的抗水损害能力。

1原材料和测试方法水性化技术1.1水性环氧树脂及固化剂采用化学改性法制备水性环氧树脂乳化剂，进而对环氧树脂进行乳化，制备而得水性环氧树 脂乳液。

试验所用的环氧树脂E44和E51及 1622T型水性固化剂均为市售。

1.2乳化沥青试验中采用的基质沥青为中海90#基质沥 青，其基本技术指标见表1。

采用阳离子乳化剂对基质沥青进行乳化，乳 化沥青各项指标均满足规范要求，具体技术指标 见表2。

表1 90#基质沥青技术指标项目平均值软化点/'48.5针人度（25 ')/(10-1mm)85.2延度/ (15 ')/(!>100表2乳化沥青基本性能项目性能乳化剂计量，0 2.0蒸发残留物含量，059筛上剩余量，00.015 d稳定性，0 3.2蒸发残留物针人度（25 ')/(10-1mm)88延度/ (15 ')/(!>100软化点/'48收稿日期：2018 -01 -26。

作者简介：蔡丽娜，女，山东潍坊人，高级工程师。

主要研究方向：新型道路材料。

邮箱：linacaidut@ 。

第3期蔡丽娜等.非离子型水性环氧树脂制备及其改性乳化沥青性能研究291.3性能测试方法1. 3.1水性环氧树脂乳液稳定性测试将所制备的水性环氧树脂乳液在不同转速下 离心，根据分层情况表征其机械稳定性，具体判 断标准为：1级：1 500 r/min , 20 m in 分层；2 级：2 000 r/min , 20 min 分层；3 级：2 500 r /min ，20 min 分层；4 级：3 000 r/min ，20 min 分层；5 级:3 500 r/min ，30 min 分层;6 级:3 500 r/min ，30min 不分层。

另外将所制备的水性环氧树脂乳液在室温下放置考察其存储稳定性。

1.3.2水性环氧树脂乳液的粒径分布采用动态光散射（DLS )表征所制备的水性 环氧树脂乳液的粒径分布。

通过粒度分析来判断 乳液是否为均匀稳定乳液，乳液尺寸越小表明乳 液的稳定性越好，存储性能越好。

1.3.3水性环氧树脂固化后剪切强度水性环氧树脂固化后剪切强度按GB 7124— 2008《胶粘剂拉伸剪切强度的测定（刚性材料 对刚性材料)》进行。

采用1622T 型水性脂肪胺 固化剂对所合成的水性环氧树脂进行固化。

1.3.4水性环氧树脂改性乳化沥青混合料抗水 损害性能采用湿轮磨耗试验检验成型后的水性环氧树 脂改性乳化沥青混合料的抗水损害能力。

表3为水性环氧树脂改性乳化沥青混合料的配合比。

表3水性环氧改性乳化沥青混合料的配合比试验材料用i石料（辉绿岩）/g 油石比，0乳化沥青固含量，％乳化沥青乳化剂含量，％ 水性环氧树脂固含量，％ 水性环氧树脂乳化剂含量，0 环氧树脂与沥青比，％固化剂用量及类型自来水&0〜3 mm 石料560，3〜5 mm 石料2406.56518505.07(以溶液所含物计算）64 (环氧样品中的水不计人其中)环氧固化比（3.715/1.733 =2.144)固化剂1622T2非离子型水性环氧树脂制备及表征试验采用亲水性聚合物聚乙二醇(PEG 6000)作为反应物，与双酚A 环氧树脂 (E 44和E 51)进行亲核加成，在路易斯酸催化 剂的作用下环氧树脂环氧基中带有负电性的氧原 子与酸性催化剂中的H +形成过渡态的羟基 OH +，与聚乙二醇的活泼端羟基形成过渡态，进而使得聚乙二醇加成到环氧基上，形成由聚乙 二醇为亲水基团的非离子型表面活性剂，该表面 活性剂可以作为环氧树脂的乳化剂，通过乳化得 到水性环氧树脂乳液。

加成反应机理如下。

通过亲核加成所制备的水性环氧树脂乳化剂 具有很好的水溶性，说明聚乙二醇与双酚A 型E 44 和E 51环氧树脂成功进行了加成反应。

通过E 44 和E 51分别与聚乙二醇进行加成反应，可得到N 2型和N 4型水性环氧树脂乳化剂。

采用相反转法 乳化法利用N 2型乳化剂对不同类型环氧树脂进 行乳化，可得到均匀稳定的乳液，对所得乳液进行 动态光散射粒径分析，所得结果如表4和图1所示。

表4 N 2型水性环氧乳化剂乳化性能测试样品名称乳化剂含量，0环氧树脂类型固含量，0分布范围/ Cm 机械稳定性存储稳定性N 2E 116E 44650. 73-12.43级 4 d 后分层N 2E 26E 44600. 18-1.576级稳定N 2E 35E 44500.39 〜14 516级轻微分层N 2E 45E 51500. 10 〜14 875级轻微分层N 2E 521E 44700. 13 -2. 846级稳定30石 油沥青2018年第32卷经分析可知，乳化方法对乳液稳定性和溶液 尺寸有显著的影响，自然乳化法可得到稳定水性 环氧树脂乳液。

随着乳化剂含量和环氧树脂固含量的增加，所得的乳液尺寸减小，且尺寸分布变窄，而且其机 械稳定性增加。

当乳化剂含量为60，固含量为 60%时，所得乳液尺寸分布最为集中，机械稳定性 达到6级，能够在室温稳定储存30 d以上。

N2 型乳化剂对E51的乳化能力稍差，所得乳液的机 械稳定性为5级，室温放置轻微分层。

原因是因 为N2型乳化剂是由E44型环氧树脂与亲水聚合 物通过加成反应制备而得，与E44型乳化剂具有 良好的相似相容性能，从而对E44的乳化能力强 于 E51。

同样地，采用自然乳化法利用N4型乳化剂对环氧树脂进行乳化，均可得到均匀稳定的乳液，对所得乳液进行动态光散射粒径分析，所得结果 如表5和图2所示。

表5 N4型水性环氧乳化剂乳化性能测试样品名称乳化剂含量，0环氧树脂类型固含量，0分布范围/ Cm机械稳定性存储稳定性N4E16E51600. 13 -2816级稳定N4E212E5160082〜1016级稳定N4E33E51605.66 〜37. 886级稳定N4E45E5150081 〜1856级稳定N4E55E44，E5150082〜1836级稳定N4E65E4450084〜0856级稳定从表5和图2中可以看出，N4型乳化剂具有 极好的亲水性和乳化能力，对E44和E51都具有 极强的乳化能力，且可以乳化两者混合液。

采用 N4乳化剂乳化的水性环氧树脂乳液的尺寸分布 更为集中，乳液尺寸可集中分布在400 nm左右，经过分析可以看出，随着乳化剂含量的增加乳液尺寸减小。

通过对比N4E4、N4E5和N4E6三个 样品，固定乳化剂用量和环氧树脂固含量，随着环 氧树脂E44含量增加，乳液尺寸逐渐减小。

通过 理论计算，N4的HLB理论值为18. 8，具有极好的 亲水性和乳化能力。

样品N4E6采用较少的乳化 剂且得到的乳液尺寸最小，分布最为集中，同时具有良好的机械稳定性能和存储稳定性，因此后续 研究选定N4E6作为乳液标准配方。

对水性环氧树脂固化后的剪切强度进行了测试，研究了固化剂与环氧树脂的质量比对其剪切 强度的影响，测试结果如表6和图3所示。

表6固化剂与环氧树脂质量比对环氧树脂剪切强度的影响样品名称固化剂与环氧树脂质量比剪切强度/MPa断面形式W H-11486内聚面W H-20.9684内聚面W H-308 5.62内聚面W H-408 5.01内聚面W H-50.6384内聚面第3期蔡丽娜等.非离子型水性环氧树脂制备及其改性乳化沥青性能研究31从表6和图3中分析可知，所制备的样品均 具有较高的剪切强度，随着固化剂与环氧树脂质 量比的增加，所粘接钢-钢材料的剪切强度先增 大后减小，当固化剂与环氧树脂质量比为0.9时 环氧树脂剪切强度最高，可达6.24 MPa。

在固化 剂与环氧树脂质量比小于0.9时，随着固化剂含 量的增加剪切强度增加，原因是随着固化剂的增 加，环氧树脂固化交联程度增加，使得固化后的树 脂剪切强度增加。

当固化剂环氧树脂质量比大于 0.9时，固化剂过量导致环氧树脂交联不充分，导 致环氧树脂部分封端，使得环氧树脂抗剪强度降 低。

剪切强度的影响3水性环氧树脂改性乳化沥青混合料抗水损害性能试验中采用先乳化后改性的方法，利用水性 环氧树脂对乳化沥青进行改性，并采用改性后的 乳化沥青进行了混合料的制备，对混合料的抗水 损害能力进行研究，其湿轮磨耗性能如表7所示。

水性环氧树脂的添加可以有效的提升乳化沥 青混合料试件的抗湿轮磨耗性能，当水性环氧树 脂添加量达到20%时，即可满足湿轮磨耗规范要 求（即浸水1h湿轮磨耗值控制在不大于540 g/ m2%。

当水性环氧树脂含量达到30%时试件基本没有质量损失，说明水性环氧树脂改性对乳化沥 青粘结性有极大的提高，可提高微表处抗水损性 能。

分析原因是因为在乳化沥青破乳时，环氧树 脂开始与固化剂发生固化反应，并与沥青胶结料 产生交联，形成空间网络状态，提高了沥青混合料 的粘结强度，减少了湿轮磨耗过程中的质量损 失:9'1<)]。