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水性環氧樹脂合成簡介

2019-10-10

水性環氧樹脂可分為陰離子型樹脂和陽離子型樹脂,陰離子型樹脂用于陽極電沉積涂料,陽離子型樹脂用于陰極電沉積涂料。水性環氧樹脂的主要特點是防腐性能優異,除用于汽車涂裝外,還用于醫療器械、電器和輕工業產品等領域。

【環氧樹脂水性化方法】

根據制備方法的不同,環氧樹脂水性化有以下四種方法:機械法、化學改性法、相反轉法和固化劑乳化法等。

1)機械法

機械法即直接乳化法,可用球磨機、膠體磨、均氏器等將固體環氧樹脂預先磨成微米級的環氧樹脂粉末,然后加入乳化劑水溶液,再通過機械攪拌將粒子分散于水中; 或將環氧樹脂和乳化劑混合,加熱到適當的溫度,在激烈的攪拌下逐漸加入水而形成乳液。用機械法制備水性環氧樹脂乳液的優點是工藝簡單,所需乳化劑用量較少,但乳液中環氧樹脂分散相微粒尺寸較大,粒子形狀不規則且尺寸分布較寬,所配得的乳液穩定性差,粒子之間容易相互碰撞而發生凝結現象,并且該乳液的成膜性能也欠佳。當然提高攪拌分散時的溫度可以促進乳化劑分子在環氧樹脂微粒表面更為有效地吸附,使得環氧樹脂微粒能較為穩定地分散在水相中。

2)化學改性法

化學改性法又稱自乳化法,即將一些親水性的基團引入到環氧樹脂分子鏈上,或嵌段或接枝,使環氧樹脂獲得自乳化的性質, 當這種改性聚合物加水進行乳化時,疏水性高聚物分子鏈就會聚集成微粒,離子基團或極性基團分布在這些微粒的表面,由于帶有同種電荷而相互排斥,只要滿足一定的動力學條件,就可形成穩定的水性環氧樹脂乳液,這是化學改性法制備水性環氧樹脂的基本原理。根據引入的具有表面活性作用的親水基團性質的不同,化學改性法制備的水性環氧樹脂乳液可分為陰離子型、陽離子型和非離子型三種。

a、陰離子型

通過適當的方法在環氧樹脂分子鏈中引入羧酸、磺酸等功能性基團,中和成鹽后的環氧樹脂就具備了水可分散的性質。常用的改性方法有功能性單體擴鏈法和自由基接枝改性法。功能性單體擴鏈法是利用環氧基與一些低分子擴鏈劑如氨基酸、氨基苯甲酸、氨基苯磺酸等化合物上的胺基反應,在環氧樹脂分子鏈中引入羧酸、磺酸基團,中和成鹽后就可分散在水相中。自由基接枝改性法是利用雙酚A環氧樹脂分子鏈中的亞甲基活性較大,在過氧化物作用下易于形成自由基,能與乙烯基單體共聚,可將丙烯酸、馬來酸酐等單體接枝到環氧樹脂分子鏈中,再中和成鹽后就可制得能自乳化的環氧樹脂。

b、陽離子型

含胺基的化合物與環氧樹脂反應生成含叔胺或季胺堿的環氧樹脂,再加入揮發性有機一元弱酸如醋酸中和得到陽離子型的水性環氧樹脂。這類改性后的環氧樹脂在實際中應用較少,這是因為水性環氧固化劑通常是含有胺基的堿性化合物,兩個組分混合后,體系容易出現破乳和分層現象而影響該體系的使用性能。

c、非離子型

一般多在環氧樹脂鏈上引入親水性聚氧乙烯基團,同時保證每個改性環氧樹脂分子中有兩個或兩個以上環氧基,所得的改性環氧樹脂不用外加乳化劑即能自分散于水中形成乳液。如用分子量為4000~20000的雙環氧端基乳化劑與環氧當量為190的雙酚A環氧樹脂和雙酚A混合,以三苯基膦化氫為催化劑進行反應,可制得含親水性聚氧乙烯、聚氧丙烯鏈端的環氧樹脂,該樹脂不用外加乳化劑便可溶于水,且耐水性增強。另外,這種方法制得的粒子較細,通常為納米級,前面兩種方法制得的粒子較大,通常為微米級。從此意義上講,化學法雖然制備步驟多,成本高,但在某些方面具有實際意義。

在環氧樹脂鏈上引入親水性聚氧乙烯基團,同時保證每個改性環氧樹脂分子上有兩個或兩個以上環氧基,所得的改性環氧樹脂不用外加乳化劑即能自分散于水中形成乳液。如先用聚氧乙烯二醇、聚氧丙烯二醇和環氧樹脂反應,形成端基為環氧基的加成物,利用此加成物和環氧當量為190的雙酚A環氧樹脂和雙酚A混合,以三苯基磷為催化劑進行反應,可得到含有親水性聚氧乙烯、聚氧丙烯鏈段的環氧樹脂。這種環氧樹脂不用外加乳化劑即可溶于水中,且由于親水鏈段包含在環氧樹脂分子中,因而增強了涂膜的耐水性。并且在引入聚氧化乙烯、氧化丙烯鏈段后,交聯固化的網鏈分子量有所提高,交聯密度下降,形成的涂膜有一定的增韌作用。

3) 相反轉法

相反轉是一種制備高分子量環氧樹脂乳液較為有效的方法,II型水性環氧樹脂涂料體系所用的乳液通常采用相反轉方法制備。相反轉原指多組分體系(如油/水/乳化劑)中的連續相在一定條件下相互轉化的過程,如在油/水/乳化劑體系中,其連續相由水相向油相(或從油相向水相)的轉變,在連續相轉變區,體系的界面張力最低,因而分散相的尺寸最小。通常的制備方法是在高剪切力條件下先將乳化劑與環氧樹脂均勻混合,隨后在一定的剪切條件下緩慢地向體系中加入水,隨著加水量的增加,整個體系逐步由油包水型轉變為水包油型,形成均勻穩定的水可稀釋體系。乳化過程通常在常溫下進行,對于固態環氧樹脂,往往需要借助于少量溶劑和加熱使環氧樹脂粘度降低后再進行乳化。

4)固化劑乳化法

水性環氧樹脂體系通常采用固化劑乳化法來制備水性環氧樹脂乳液。這類體系中的環氧樹脂一般預先不乳化,而由水性環氧固化劑在使用前混合乳化,因而這類固化劑必須既是交聯劑又是乳化劑。水性環氧固化劑是以多胺為基礎,對多胺固化劑進行加成、接枝、擴鏈和封端,在其分子中引入具有表面活性作用的非離子型表面活性鏈段,對低分子量的液體環氧樹脂具有良好的乳化作用。用固化劑乳化法制備水性環氧樹脂體系的優勢是在使用前由固化劑直接乳化環氧樹脂,不需考慮環氧樹脂乳液的儲存穩定性和凍融穩定性;缺點是配得的乳液適用期短。

文 ▏方秀蓮

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