水性环氧固化剂的研制与应用

李梅 夏建陵丁海阳 李守海 杨小华 许利娜

摘要：本文重点介绍自制的脂肪醇聚醚型水性胺类固化剂（SE-200）、二种改性胺类水性环氧固化剂（SE-300和SE-400）在水性地坪涂料及水性环氧填缝剂方面的应用研究。SE-200与市售水性环氧乳液固化或采用SE-400与环氧树脂E-51固化时涂膜综合效果均较佳，固化体系物理性能已经达到了国内市售相关产品水平，耐乙醇溶剂性方面优于市售产品，SE-400与环氧树脂E-51固化膜的耐水性优于市售产品。采用SE-300制备的水性环氧填缝剂产品具有不流挂、不塌陷、光泽度高及耐候性强，易擦洗、遇水不发白等优点。

关键词：水性环氧固化剂；固化；性能；应用

由于溶剂型环氧涂料含有甲醛、苯等有机挥发物。严重危害生态环境和人体健康，所以研究以水代替有机溶剂的水性环氧涂料是当今涂料行业发展的必然趋势[1-2]。环氧彩砂树脂装饰地坪(简称“环氧彩砂地坪”、环氧填缝剂等)是以彩色石英砂和环氧树脂组成的无缝一体化的新型复合装饰地坪，通过一种或多种不同颜色的彩色石英砂自由搭配，形成丰富多彩的装饰色彩及图案，具有装饰质感优雅，耐磨损、抗重压、耐化学腐蚀、防滑、防火、防水等优点，它不仅适用于船舶业地坪，也适用于商业及民用建筑地面。随着人们生活水平及认识提高，环氧彩砂树脂装饰地坪用量正在以逐渐递增的方式增加。环氧填缝剂是集填缝剂和美缝剂功能为一体的、美缝剂的升级产品，它的出现改变了施工方式，一次施工完毕，不用像美缝剂施工那么复杂！水性环氧填缝剂是近几年刚刚新型的产品，其以环保的优势逐渐取代传统美缝剂，面对国内家装产业的繁盛景象，相信水性化产品将具有良好的发展空间。而水性环氧固化剂是水性环氧涂料、水性环氧填缝剂重要组成部分，对涂料、水性环氧填缝剂的最终性能起着决定性的作用，也是当今涂料和环氧填缝剂行业研究最广泛的领域之一[3-5]。

一般的水性环氧树脂固化剂是脂肪族多胺的改性产物，即利用脂肪胺与环氧树脂的环氧基团反应，将疏水性的环氧树脂长链引入脂肪胺中，脂肪胺与环氧树脂加成后亲水性下降，为保证固化剂在水中较好的分散，常加入有机酸(如冰乙酸)中和成盐，形成离子型水性环氧树脂固化剂，以保持乳液的稳定[6-8]。但有机酸的存在使得涂膜性能下降，涂覆在金属制品上时容易产生闪锈，还会对环境造成污染；此外，离子型的水性环氧树脂固化剂对pH值比较敏感，当与碱性颜填料一起使用时，易出现失稳现象。因此开发非离子型的水性环氧树脂固化剂具有广阔的发展前景。

本文重点介绍自制的非离子型的脂肪醇聚醚型水性胺类固化剂（SE-200）、二种改性胺类水性环氧固化剂（SE-300和SE-400）在水性地坪涂料及水性环氧填缝剂方面的应用研究。经与市售产品水性环氧固化剂A、B对比可知，产品性能较优，具有较好的应用前景。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

磁性涂层测试仪、QHQ-A型漆膜划痕硬度仪、QFZ-11附着力实验仪、QCJ-120型漆膜冲击实验器: 天津实验材料机厂；QTX型漆膜弹性试验器: 天津市精科材料试验机厂；Diamond DSC分析仪: 美国Perkin-Elmer公司。

AB-EP-20（50±3 %固体份），环氧值0.18～0.24 mol /100g（100 %固体份）；水性固化剂A、B，市售；改性胺类水性环氧固化剂SE-300（胺值280 mg/g）、SE-400（胺值310 mg /g），中国林科院林产化工研究所南京科技开发总公司。

1.2 脂肪醇聚醚型水性胺类固化剂的合成

该反应分为以下几步：

（（1）选择性酯化反应氮气保护下，在配有搅拌器、温度计的四口烧瓶中，加入计量的甲基四氢邻苯二甲酸酐、高级脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO-6）、催化剂，搅拌并加热至110 ℃反应2.5 h，得甲基四氢邻苯二甲酸单酯。

（（2）开环加成反应氮气保护下，将计量的E-51、季胺盐加入装有机械搅拌器、温度计的四口烧瓶中，升温至100 ℃，加入计量的按（1）方法制备的甲基四氢邻苯二甲酸单酯，完毕后再升温至115 ℃反应3.5 h, 即得单环氧甲基四氢邻苯二甲酸双酯。

（（3）多元胺扩链及伯胺封端反应氮气保护下，在装有机械搅拌器、温度计的四口烧瓶中加入一定量的四乙烯五胺的乙醇溶液，搅拌至均相后控温至60 ℃，滴加一定量的按（2）方法制备的单环氧甲基四氢邻苯二甲酸双酯的乙醇溶液。滴加完毕后再保温反应4 h，减压蒸出全部溶剂，然后在50～60 ℃范围内，滴加蒸馏水将其稀释到固含量为50～55 %左右，继续搅拌0.5 h。最后再加入一定当量的苄基缩水甘油醚封端伯胺，滴加完毕后，在60 ℃下继续反应1 h即得脂肪醇聚醚型水性胺类环氧固化剂（SE-200），胺值102.2 mg /g。

1.3 漆膜的制备

将水性固化剂与水性环氧乳液或环氧E-51按比例混合，并与500~1000 rpm的搅拌速度下持续搅拌5~10 min，然后均匀涂刷在己打磨除锈的马口铁试片上，置于温度25 ℃，相对湿度65 %的烘箱中固化七天，涂膜厚25~40 。

1.4 分析测定方法

漆膜厚度：按标准GB 12334-90执行；漆膜干燥时间：按标准GB 1728-89执行；漆膜铅笔硬度：按标准GB/T 6739-1996执行；漆膜冲击强度：按标准GB/T1732-93执行；漆膜附着力：按标准GB 1720-79执行；漆膜柔韧性：按标准GB 1731-93执行；

玻璃化转变温度（Tg）：气氛是高纯氮，温度范围0 ~200℃，升温速率10 ℃/min；

热重分析：升温速率10 ℃/min, 温度0~800 ℃，N2气氛，将失重曲线的起始分解温度定为样品的热分解温度Td。

环氧漆膜介质渗透量的测定[3]：将固化剂与环氧树脂按照计量比例配制，室温干燥成膜后置于温度25 ℃，相对湿度65 %的烘箱中固化七天，用于检验其介质渗透量，其中对水的渗透量，称为吸水率。测试前先测定样品膜的质量，然后把样品膜浸泡于室温下的去离子水（乙醇）中，24 h后取出用滤纸擦干表面，立即再称量其质量，吸水率（乙醇渗透量）的计算公式如下：

(1)

式中：—试验测定介质渗透量，%；—铜板质量，g；—涂有环氧涂膜铜板质量，g；—涂有环氧涂膜铜板被介质浸泡后的质量，g。

2 结果与讨论

2.1 水性环氧固化剂SE-200的和SE-400性能分析

表1 环氧基与胺氢物质的量之比对固化物性能的影响

通过对不同环氧基：胺氢物质的量之比下固化物性能的比较，考察环氧基:胺氢物质的量之比对固化物性能的影响，以确定环氧基:胺氢物质的量之比最佳配比。结果如表1所示。从表1可以看出，环氧基: 胺氢物质的量之比在0.8:1~1.1:1范围内，涂膜的表干时间均较短，基本均小于3小时。该体系涂膜的柔韧性及抗冲击强度均较好，且几乎不随环氧基/胺氢比例的变化而变化，这充分体现了Ⅱ型环氧涂料体系的特点。涂膜的附着力、耐水性和耐溶剂性随着环氧: 胺氢物质的量之比的提高而变得愈佳，这是因为环氧树脂含量的提高，使得固化反应更完全，涂膜与基材的附着力增加，但当比例达到1.2:1（mol:mol）时，环氧树脂大量残余，大分子网状结构不能有效形成，从而降低了涂膜的综合性能。表1可以看出，随着环氧: 胺氢物质的量之比的增加涂膜的Tg也逐渐增大，当环氧: 胺氢物质的量之比在1.1:1时的玻璃化温度最高，但当环氧:胺氢为1.2:1时Tg开始下降。这表明AB-EP-20 : SE-200固化体系在环氧/ 胺氢物质的量之比为1.1:1固化程度最高，综合性能最好。

将水性固化剂SE-200、市售水性固化剂A、市售水性固化剂B与水性环氧乳液AB-EP-20分别进行固化。AB-EP-20 : SE-200按环氧/胺氢物质的量之比为1.1:1进行复配，AB-EP-20 :市售水性固化剂A、AB-EP-20 : 市售水性固化剂B按其产品说明书进行配料，室温固化七天后，三种固化物的性能分析结果见表2。由表可见自制固化剂在物理性能上已经达到了国内市场水平，耐乙醇溶剂性优于市售产品，但是吸水率高于市售产品，有待改进。

表2 固化物性能比较

为了进一步改善固化物的耐水性，开发了水性环氧固化剂SE-400, 该产品可很好的乳化环氧树脂，不需要与水性环氧乳液复配使用。将水性固化剂SE-400、市售水性固化剂C、市售水性固化剂D与E-51分别进行固化，室温固化七天后，三种固化物的性能分析结果见表3。由表可见自制固化剂在物理性能上已经达到了国内市场水平，耐水性优于部分市售产品。

表3 固化物性能比较

2.2 水性环氧固化剂SE-300在水性环氧填缝剂方面的应用研究

表4 水性环氧填缝剂性能指标

3 结论

（（1）通过测试AB-EP-20/ SE-200体系固化物耐水性、介质渗透量、Tg等可知，固化体系物理性能已经达到了国内市售相关产品水平，耐乙醇溶剂性方面优于市售产品，但是吸水率高于市售产品，有待改进。为了进一步改善固化物的耐水性，开发了水性环氧固化剂SE-400, 该产品可很好的乳化环氧树脂E-51的同时，可有效改善漆膜的耐水性。

（2）由自主研发的水性环氧固化剂SE-300制备的水性环氧彩砂填缝剂产品还具有光泽度高、耐候性强，易擦洗、遇水不发白等优点。该产品具有装饰效果，特别适合特殊石材及马赛克拼图的填缝。

来源：中国环氧树脂应用技术学会