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关于环氧树脂改性水性聚氨酯涂料的性能分析与制备方法

2020-09-15 454 上传者：管理员

摘要：本文选择酚醛型环氧树脂改性水性聚氨酯，通过环氧树脂开环反应，将环氧树脂引入到水性聚氨酯结构之中。通过对改性前后的水性聚氨酯涂膜进行耐冲击性、附着力、硬度、乳液稳定性的测试和红外分析的表征。结果表明加入环氧树脂改性后的水性聚氨酯涂膜的机械性能、耐高温性、抗蚀性等均得到提高。

关键词：
乳液稳定性
化学工业
改性
水性聚氨酯
涂料
环氧树脂
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水性聚氨酯由于连续相为水，不仅无毒无害无污染，而且成本低廉，并具有传统聚氨酯的优良性能，成为水性聚氨酯涂料研究开发的热点，但仍有不足之处，如耐水性较低、力学性能不高、耐热性不足等弊端[1,2,3,4,5,6]。人们通过改性来改善水性聚氨酯这些缺点，提高其综合性能[7,8,9]。

环氧树脂改性水性聚氨酯，主要由水性聚氨酯上的异氰酸酯基与环氧树脂上的羟基进行反应，环氧基团开环被引入到水性聚氨酯的结构之中，分子间形成交联网状结构。改性后乳液涂层的铅笔硬度、抗冲击性、耐水性、耐溶剂性等大幅提高。环氧树脂改性水性聚氨酯的反应过程主要是水性聚氨酯预聚物中的-NCO基团与环氧树脂中的-OH基团发生了反应，生成-NHCOO-基团，由此水性聚氨酯才能和环氧树脂相容、共混改性，提高乳液的综合性能[9,10,11]。

本文将以酚醛型环氧树脂为原料改性水性聚氨酯，酚醛型环氧树脂是一种高耐热性环氧树脂，其环氧基含量高，黏度大，固化后产物交联密度高机械物理性好，与聚氨酯基体不存在界面问题，同时又具备良好的耐温性和抗蚀性，适用于修复涂层[11]。本文旨在探索酚醛环氧树脂改性后的水性聚氨酯涂料，在结构、力学性能，抗冲击性，铅笔硬度，稳定性等方面进行研究。

1、实验部分

1.1实验原料

表1实验原材料一览表

1.2环氧树脂/HGM复合材料的制备

将真空干燥24h后的20.02g的N210与3.59g的TDI装入三口烧瓶中，N2保护，在75℃下回流冷凝20min。将溶于少量DMF中的DMPA逐滴加入三口瓶，再加入2.74g的TDI，反应30min。将催化剂DBTBL滴入适量以促进反应进行；此时分别加入0、2、4、6、8wt%的环氧树脂进行改性，升温至80℃反应4h，提高转速。反应期间为防止体系粘度过大，加入适量丙酮，并在最后减压蒸除。体系降至室温，加入少量扩链剂DEG反应30min，快速搅拌加入TEA以中和体系；高速搅拌剪切乳化，同时加入去60g离子水，制得环氧树脂改性的水性聚氨酯涂料[9,10]。

1.3性能测试及表征

傅立叶红外(FT-IR):Bruker公司Vector-22型。

乳液稳定性：采用离心加速沉淀法模拟乳液贮存稳定性。离心转速为3000r/min，离心沉降时间为30min，观察乳液中是否有沉淀产生。

乳液粘度：利用NDJ-8S型粘度计（上海伦捷机电仪表有限公司）测试。

漆膜耐冲击性能：在70mm×150mm的马口铁板上,将乳液用小刷子均匀的在上面，方法参照GB/T1727-1992刷涂法。使用CJQ-II型漆膜冲击器落锤冲击试验机，参照GB/T1732-1993对漆膜进行耐冲击实验，测试其性能。

漆膜硬度：对马口铁上的漆膜，参照GB/T6739-1996，使用QHQ-A型涂膜铅笔划痕硬度仪，进行铅笔硬度测试。

漆膜附着力：对马口铁上的漆膜，使用QFH-HG600型百格刀，测试方法参照GB/T6739-2006划格法进行测试。

2、结果与讨论

2.1水性聚氨酯涂料红外谱图分析

曲线PU为酚醛型环氧树脂改性前水性聚氨酯的红外谱图如图1所示。曲线EP-PU为改性后的水性聚氨酯的乳液的红外谱图。由图中分析可知两条红外谱图在3500cm-1左右处伸缩振动峰面积都有明显增大，这可能是-OH和-NH伸缩振动的特征吸收峰叠加所影响。在曲线EP-PU中3297cm-1处出现了-NH较大的吸收峰，这是水性聚氨酯预聚物中的-NCO基团与环氧树脂中的-OH基团发生了反应，生成-NHCOO-基团[9,10,11]。在2970cm-1和2870cm-1附近，曲线PU、EP-PU均出现吸收峰，分别为亚甲基和甲基的伸缩振动吸收峰，在2360cm-1附近均出现了明显的-NCO特征吸收峰。在1730cm-1附近，曲线PU、EP-PU均出现了C=O伸缩振动吸收峰这是由于生成的-NHCOO-结构中的C=O所致，而曲线EP-PU处在此处的伸缩振动吸收峰较大，这是因为随着酚醛型环氧树脂的加入，乳液体系-OH含量增加与-NCO反应更完全，生成了更多的-NHCOO-所导致的。曲线PU、EP-PU中，在1610cm-1附近出现了苯环的伸缩振动特征峰，这是由于加入反应物TDI，引入苯环所致，而曲线EP-PU中在此处的峰面积较大，由于随着环氧树脂加入引入更多的苯环。在927cm-1处出现弯曲振动是由于苯环上的氢所致，而曲线PU在此处没有明显的特征吸收峰。通过上述分析，能够证明在改性过程中环氧树脂发生开环反应，已经成功被引入到水性聚氨酯的结构之中。

图1改性前聚氨酯涂料(PU)和改性后涂料(EP-PU)的红外谱图

2.2EP含量对聚氨酯的性能影响

表2酚醛型环氧树脂含量对水性聚氨酯乳液的稳定性影响

由表2可见，随着环氧树脂的添加量的增多，乳液粘度逐渐增大，乳液外观逐渐变差由乳白状态逐渐变成乳白泛蓝，但储藏稳定性较为稳定，均大于6个月。这是由于随着酚醛型环氧树脂加入量增大，使得乳液中羟基含量增大，羟基会与TDI中含有的异氰酸酯基反应，从而将环氧树脂分子引入到水性聚氨酯预聚体中，使得体系中产生部分交联网状结构，但是亲水基团含量不变，则其乳化越来越困难，乳液粘度也逐渐增大，导致乳液外观出现变化。

2.3酚醛型环氧树脂含量对涂膜力学性能的影响

水性聚氨酯中加入不同含量的酚醛型环氧树脂的涂膜主要性能参见表3。通过表3数据对比可以发现，酚醛型环氧树脂改性后涂膜的铅笔硬度和耐冲击性明显增强，这是因为随着酚醛型环氧树脂含量的增加，乳液中羟基的含量大幅度上升，与水性聚氨酯中的-NCO反应，将环氧树脂分子引入到水性聚氨酯预聚体结构中，形成部分交联网状结构，而且环氧树脂结构中含有大量苯环，使得改性后的水性聚氨酯乳液中聚氨酯硬段含量增大，分子刚性增强，最终使得涂膜的铅笔硬度、耐冲击性和附着力增强。随着环氧树脂含量持续增加，一是乳液体系中交联结构达到饱和状态，而乳液中过多的苯环，使得涂膜脆性增强，导致涂膜的铅笔硬度、耐冲击性和附着力性能下降。二是环氧树脂中的羟基增多，且并未全部发生反应，存在于体系中，使得产物结构较为松散，对与涂膜的铅笔硬度、耐冲击性和附着力产生消极影响。综合以上数据可以得出，酚醛型环氧树脂添加量为4Wt%时，性能最为优异。

表3环氧树脂F-51含量对涂膜性能的影响

3、结论

本文选择酚醛型环氧树脂改性水性聚氨酯，通过环氧树脂开环反应，成功将环氧树脂引入到水性聚氨酯结构之中，并通过制备不同酚醛型环氧树脂含量的水性聚氨酯涂料探究水性聚氨酯涂料的各项性能。通过对乳液的稳定性研究以及涂膜的硬度、抗冲击性和附着力等级等性能的研究，结果表明树脂含量为4%时，乳液及涂膜的综合性能最好。

参考文献：

[2]涂伟萍.水性涂料[M].北京:化学工业出版社,2006,133-136.

[4]鲍俊杰,钟达飞,谢伟,等.水性聚氨酯结构与性能关系研究[J].化学推进剂与高分子材料,2006,4(4):34-37.

[5]许戈文.水性聚氨酯材料[M].北京:化学工业出版社,2007,14-48.

[8]王炯,李国平.水性聚氨酯的改性研究进展[J].高分子材料科学与工程,2016,25(12):166-168.

[9]王建,罗昕,张庆新.环氧树脂改性水性聚氨酯乳液的制备与性能研究[J].胶体与聚合物,2018,36(02):81-83.

[10]王海峰,庄妍,于晓燕,等.一种环氧树脂改性水性聚氨酯涂料的制备及其性能研究[J].胶体与聚合物,2018,36(04):147-149.

[11]柴云,刘祥萱,王煊军,等.改性酚醛环氧树脂F-51自修复微胶囊的制备[J].表面技术,2016,45(10):141-147.

李佩鲜,刘晨曦,于晓燕,张庆新.环氧树脂改性水性聚氨酯涂料的制备及性能研究[J].胶体与聚合物,2020,38(03):120-122.

基金:河北省自然科学基金(B2017202281);国家自然科学基金(51573037).