水分散型水性环氧涂料的制备

data-full-width-responsive="true"> 水分散型水性环氧涂料的制备陈立庄, 高延敏, 胡翔波, 徐飞(江苏科技大学材料科学与工程学院, 江苏镇江212003)0 前 言环氧树脂涂料具有优良的附着力、热稳定性、耐化学药品性、耐腐蚀性等, 广泛用于汽车工业、船舶制造业及建筑业等领域 。常用的环氧树脂涂料在制作和使用过程中需用大量的有机溶剂, 不但价格贵, 而且易挥发, 对环境污染大。近年来, 许多国家相继颁布了控制挥发性有机物的法令, 限制了溶剂型环氧树脂涂料的大规模使用。与溶剂型涂料相比, 环氧-水分散型涂料具有低VOC 含量、较小的气味、使用安全等优点而受到青睐。目前, 市场上广泛使用的环氧-水分散型涂料主要由两部分组成, 一是疏水性的环氧树脂, 二是亲水性的固化剂。涂料在成膜过程中亲水性的固化剂要进入树脂相, 而树脂与固化剂之间在亲水性与疏水性方面存在很大差别, 导致了溶度参数的不相匹配, 影响了其成膜性。环氧树脂和固化剂都是水分散体, 两者相容性好, 可大大提高涂层的物理机械性能 。为此, 研究了固化剂为水分散型水性环氧涂料的制备过程和固化机理, 重点讨论了水、成膜助剂不同用量对涂料性能的影响, 并确定了环氧-水分散型涂料的最佳配方。1 试 验1 1 仪 器高速分散机、FQY盐雾腐蚀试验机、KZ-1B光泽度仪、TG328A 分析天平、BK- 2 涂膜干燥测试仪、斯托默黏度计、QHQ 铅笔硬度计、QFZ漆膜附着力测试仪、QMB 型乳液最低成膜温度测定仪、QC J漆膜冲击器。1 2 原 料( 1)环氧树脂(美国she ll) ; ( 2 )颜填料: 钛白粉、滑石粉、沉淀硫酸钡、重钙、膨润土; ( 3)助剂:消泡剂(聚乙二醇脂肪酸酯)、分散剂(聚丙烯酸钠盐)、成膜助剂2, 2, 4-三甲基戊二醇-1, 3单异丁酸酯( TEXANOL)、流平剂(水溶性有机硅油) ; ( 4)固化剂(双酚A 环氧与胺的加合物)。选用的环氧树脂和固化剂均通过亲水基团改性, 为自乳化型。1 3 涂料配方及配制通过正交试验, 确定的环氧-水分散型涂料的配方见表1。环氧-水分散型涂料的制备主要包括以下步骤: 高速分散颜填料、逐步加各种助剂、制得涂层试样、加固化剂、涂装、常温固化、性能测试等。2 结果与讨论按国家标准, 对环氧-水分散型涂料涂膜进行了涂膜机械性能试验、涂膜耐水浸泡试验及涂膜耐盐雾试验。此外, 还对环氧乳胶漆的黏度和乳液最低成膜温度进行了测定, 结果见表2。表2 环氧-水分散型涂料及其涂膜的主要物理性能2 1 涂料的固化成膜机理由于环氧-水分散型涂料和固化剂都是水分散体, 因此, 两组分混合后分别以乳胶粒子形式存在于水分散体中, 而且是相互分离。对其干燥成膜可认为是去乳化作用, 这过程发生得很快, 两者分散相的黏度都比较低, 相容性又比较好, 会发生湍流状态的均匀混合, 得到的漆膜很均匀 。乳胶漆成膜分为以下4个过程:( 1)乳胶粒子分散当乳胶漆刚涂布到基材上时, 球状颗粒在乳胶漆中以双电层和屏蔽稳定的作用在水分散介质中保持着稳定的分散状态。( 2)乳胶粒子相互靠近随着水分的逐渐挥发, 依靠其推动力, 分散着的颗粒逐渐靠拢, 当接近到一定程度时, 邻近的颗粒就紧紧地挤在一起而达到密聚状态, 失去了运动的自由而形成凝胶状。( 3)固化反应开始随着水分进一步挥发, 漆膜的体积收缩。当水分挥发将尽时, 其推动力也将消失, 此时毛细管力明显地起作用, 体积的收缩和毛细管吸收引力远大于颗粒的分散稳定斥力, 乳胶粒子结构被破坏, 从而使环氧树脂和固化剂相互接触, 发生固化反应。( 4)形成均相固化完全的涂层 随着时间的推移, 残留的助剂逐渐挥发, 环氧树脂和固化剂分子链段之间进一步相互渗透固化, 涂膜性质逐渐改进, 最后形成均匀而性能良好的涂膜。2 2 加水量对涂料黏度的影响环氧-水分散型涂料以水为分散性介质, 水含量的多少直接影响涂料的黏度。图1曲线1 是环氧-水分散型固化剂体系黏度随水量的变化曲线。由此可知, 随着加水量的增多, 体系黏度变化不大,这主要是环氧树脂和固化剂都以乳胶粒子形式存在于水中, 乳胶粒子之间的作用力很小, 水量的增多对体系黏度影响不大。图1曲线2是环氧-聚酰胺体系黏度随水量的变化曲线。随着水含量的增多, 环氧- 聚酰胺体系的黏度明显降低, 但最终的黏度比环氧-水分散型固化剂体系的大。这是因为聚酰胺是溶于水的高分子, 聚酰胺加入到水性环氧树脂中后, 体系的黏度主要是受聚酰胺分子间范徳华力和氢键力作用, 水量增多削弱了聚酰胺分子间的作用力, 整个体系黏度就降低; 但聚酰胺大分子间的作用力要大于乳胶粒子之间的作用力, 在同样加水量情况下, 环氧-水分散型固化剂体系黏度要低于环氧-聚酰胺体系黏度。2 3 助剂的作用( 1)分散剂 颜料分散是环氧-水分散型涂料制造的重要环节, 由于水具有很大的表面张力, 即使亲水性较强的颜料在水中的润湿分散性也是很差[ 3] 。为了提高颜料的分散性, 通常采用润湿分散剂来降低水的张力, 增强颜料的润湿性。采用聚丙烯酸钠盐( TD-01)有较好的分散效果。( 2)消泡剂 环氧-水分散型涂料在生产和施工过程中均会产生泡沫, 使混合研磨或自动加料操作过程中的生产时间延长和有效体积降低。在施工过程中, 由于泡沫的存在、而使涂膜产生了针孔,严重地影响了涂膜的质量 。因此, 在水性涂料体系中加入微量聚丙烯酸钠盐消泡剂, 可使漆膜性能达到比较理想的状态。( 3)成膜助剂 乳胶中的高聚物为热塑性的,只有在一定温度下才能融合成膜。能形成连续涂膜的最低温度称为乳液的最低成膜温度( MFT ) ,施工温度若小于最低成膜温度, 则水分挥发后不能融合成连续的涂膜, 使涂膜成开裂状态。为了达到良好的成膜效果, 试验中加入了一定量的成膜助剂TEXANOL 。由图2可知, 随着增塑剂用量的增多, 乳液的最低成膜温度明显降低。成膜助剂量的增多可以降低MFT, 但成膜助剂的加入会影响漆膜的硬度和乳液的稳定性。此外, 成膜助剂为有机溶剂, 对环境保护不利。试验确定成膜助剂在水性环氧涂料中的最佳用量为2 8%。3 结 论( 1)环氧-水分散型涂料具有较好的综合性能, 可以用于防腐蚀工程和建筑等领域。( 2)环氧-水分散型固化剂涂料中的水量对其黏度影响不大, 而环氧-亲水性固化剂涂料中的水量对黏度影响较大。( 3)成膜助剂TEXANOL的加入可以显著降低乳液的最低成膜温度, 并可取得较好的成膜效果。