环氧树脂改性水性聚氨酯乳液的研究

环氧树脂改性水性聚氨酯乳液的研究

马兆勇

广东小太阳砂磨材料有限公司528300

摘要：环氧树脂由异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI），聚氧丙烯二醇（PPG2000）和二羟甲基丙酸（DMPA）合成，环氧树脂（E44或E51）作为改性水性聚氨酯乳液的主要原料，过改变共聚反应，获得水溶性聚氨酯（WPU）乳液。本文结合WPU的性质，研究了各种环氧树脂及其含量对获取水溶性聚氨酯乳液的影响，并测试了乳液的稳定性，性能，吸水能力和热性能等。结果表明，适量的环氧树脂获取的WPU乳液是稳定的，随着环氧树脂含量的增加，对水溶性聚氨酯乳液的耐受性增加，而乳液粒径和粘度也随之而增加，涂膜的拉伸强度增加，断裂伸长率下降，吸水率下降，与水的接触增加，并且涂膜的残余热分解增加，当E44的质量分数在6％和8％之间时，WPU乳液的稳定性最佳。

关键词：环氧树脂；改性水性；聚氨酯乳液

水溶性聚氨酯（WPU）是一种作为分散剂的聚氨酯乳液，它具有良好的附着力，良好的抗冲击性，具有耐低温性，耐油性和耐磨性，它通过与环氧树脂发生反应的形式获得，并被人们广泛使用。尽管WPU是溶剂聚氨酯的替代品，但它可以改性水性聚氨酯乳液以提高性能，而不是像溶剂型聚氨酯那样不能改性水性聚氨酯乳液。环氧树脂（EP）具有高强度，强粘合性，优异的耐磨性，高质量和优异的耐热性。目前正在对改进的WPU进行大量研究，并且改进了WPU的性能，在对WPU的研究中，使用环氧树脂制取聚氨酯制备水乳液，研究了各种环氧树脂对水性聚氨酯乳液性能的影响，通过研究，期望提供更高性能的水性聚氨酯乳液。

1环氧树脂改性水性聚氨酯乳液实验部分

1.1主要原料及预处理

异氰酸酯（IPDI），聚氧丙烯二醇（PPG，锰2000），二甲基丙酸（DMPA），工业级，济华凯树脂有限公司;二月桂酸二丁基锡（DBT）LDL），试剂级，试剂阿拉丁（上海）有限公司；丙酮，DMF，三乙胺，乙二胺，分析纯，天津化学致远试剂有限公司社会;双酚A型环氧树脂（E44，环氧树脂0.41〜0.47摩尔/100g，E51，环氧0.48〜0.54摩尔/100g），工业莱州百辰级保温隔热有限公司，将DMPA在60℃的干燥烘箱中干燥24小时，并将DMF和丙酮预处理至干燥。

1.2仪器设备

电子万能试验机WD-20KE，测试设备有限公司，广州广材试验仪器有限公司:接触角分析仪，承德金和仪器制造有限公司:旋转流变仪超模式DV-III+UItra，深圳市玮锋仪器有限公司:Nicolet6700傅里叶变红外光谱，广州嘉瑞科学仪器有限公司:纳米粒度及Zeta分析仪，贝克曼库尔特公司:离心机TGL16G，上海之信仪器有限公司;Q10扫描热量仪，热重分析仪SDT-2960，美国TA公司。

1.3ＥＰ改性ＷＰＵ乳液及胶膜制备

将20gPPG置于3颈烧瓶中，加热至120℃，在减压下蒸馏除去水，并将温度保持恒定在80℃，并加入0.1gDMPA和8.89gIPDI和DMF。

加入1至3滴DBTDL溶液，10克丙酮，冷却3小时，保持丙酮环氧树脂（EP）的恒定温度为40℃，在恒温下反应2小时，将粘度降低至100％，加入中和剂，中和52gTEA0.5小时，高速分散并与78g蒸馏水混合，一旦乳液稳定，在0.5小时内滴加0.15gEDA的水溶液，并在减压下蒸馏丙酮，得到含30％固体的EP，将乳液在烘箱中以90℃的温度固化2小时，以获得厚度为1mm或更小的膜，在室温下将聚四氟乙烯倒入模具中，保持24小时并使其干燥。

1.4分析与测试

根据GB/T1040-1992拉伸强度和伸长率测试得知，拉伸速度为100mm/min，通过KBr造粒进行红外光谱测试（FT-IR），扫描范围为4000-400cm-1，分辨率为4cm-1，切下少量薄膜并放入带有水的烧杯中，在室温下浸泡24小时后，除去膜，计算吸收前后的百分比，通过热量分析，在100-600℃温度范围内，速率10℃/min。通过离心加速试验方法进行乳液稳定性试验，离心速度为4000rpm，离心15分钟后，检查样品的沉淀，在室温下观察乳液，确认乳液的稳定性。

2环氧树脂改性水性聚氨酯乳液实验结果与讨论

2.1ＥＰ改性

FTUIR薄膜分析是根据红外光谱分析法对EPU改性进行分析，WPU和EP-WPU的IR光谱显示约3500cm-1，没有-OH键的吸收峰，1表示羟基与产物的反应，两个样品的IR光谱在3350,1730，在光谱显示为1540cm-1处具有吸收峰，其中，1为NH-酰胺基的伸缩振动峰，为1730cm-1，1是脂肪酸的烷基酯（R1-CO），羰基吸收峰（-O-R2）为1540cm-1;1-对应为仲酰胺结构，EPWPU红外光谱在833cm-1处具有吸收峰;1是不对称环氧化物环的拉伸振动峰，吸收峰的位置代表该水性聚氨酯的稳定性，这三个吸收峰的位置是正常的，表明水性聚氨酯具有很强的稳定性。

2.2不同ＥＰ及用量对ＷＰＵ乳液性能的影响

在该实验中，用E44和E51环氧树脂改性WPU，nNCO/nOH比为1.6。研究了环氧树脂的种类和用量（预聚物中环氧树脂的含量）对WPU乳液性能的影响，WPU乳液粒径，储存稳定性，E44和E51质量分数粘度的影响范围为0-10%。在实验期间，没有观察到沉淀，表明EP乳液改性WPU的稳定性比较好，但E51和E44的质量分数分别在8％和10％之间，在凝胶形成之后，因为环氧基团在转化过程中没有完全反应，导致环氧基团发生中和反应，当加入催化剂TEA催化时，缓慢打开环交联，决定乳液粒度稳定性的关键因素之一是粒径的大小，粒径越大，乳液越稳定。如表1所示，环氧树脂的含量随着改性WPU乳液的粒径增加而降低并且高于乳液颗粒E51的环氧指数，因此，E51的环氧值比E44的环氧值大，在共聚反应中，环交联的概率高，导致改性乳液E51的粒径相对较大，乳液的粒度也与乳液的粘度密切相关，如表1所示，对于共聚物WPUE44和E51，由于环交联和环氧基在聚变过程中，乳液的粘度增加，环氧树脂E51的粘度大于乳液粘度。

2.3不同ＥＰ及用量对ＷＰＵ胶膜性能的影响

然而，两种不同量的环氧树脂对WPU改性EP薄膜性能和吸收的影响是不同的，当降低薄膜的断裂伸长率时，质量分数为0％至10%的环氧树脂改性WPU涂层E44和E51的比例越来越大，抗拉强度由10.90MPa增加至8.15-2.33MPa，相对伸长率降低400％，408％和1,062％，然而，环氧树脂E51的吸水率值比E44高，但是发现改性E51涂层的吸收高于E44的吸收，环交联对涂层的吸收性也有相对较小的影响，E51羟值比E44低，与E44和改性的WPUE44相比，可直接与异氰酸酯发生反应，导致E51改性的WPU涂层的吸水性比E44涂层的吸水率高。

2.4涂膜热性能分析

由E44改性的DSCWPU曲线和聚氨酯薄膜涂层的E44-改性-TGA曲线分析，WPU改性前后都出现了两个玻璃化转变温度，软质聚氨酯链段的Tg在55℃，硬链段的Tg约在30℃，这表明硬链段和软链段之间存在分离，导致这种分离状态的不仅是软链段和硬链段之间的极性差异，还是离子基团的引入，氢键的作用以及硬链段中的库仑力显著促进了分离的形成，并导致硬段具有较高的玻璃化转变温度。

3结论

本文从主要原料及预处理、仪器设备、ＥＰ改性ＷＰＵ乳液及胶膜制备以及分析与测试四个方面对环氧树脂改性水性聚氨酯乳液实验部分进行了分析，然后从ＥＰ改性、不同ＥＰ及用量对ＷＰＵ乳液性能的影响、不同ＥＰ及用量对ＷＰＵ胶膜性能的影响以及涂膜热性能分析四个方面对环氧树脂改性水性聚氨酯乳液实验结果进行了分析。通过本文的研究可以得到下面两个结论：（1）E44和E51的质量分数在0到10％之间,所制备的储备液在离心后没有出现沉淀或剥离现象，但是当E51的质量分数为8％和10％时，乳液出现凝胶现象，随着E44和E51含量的增加，乳液的粒径和粘度增加。（2）随着E44和E51的含量增加，涂膜的拉伸强度增加并且伸长率降低，通过调节涂膜的接触角数，可以看出水性聚氨酯涂料和涂膜随着环氧树脂量的增加而增加，改性水性聚氨酯E51比E44更有效。最后希望通过本文的研究，对今后的专家学者研究相关的课题有一定的借鉴与帮助作用。

【参考文献】

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［2］刘惠茹，林志雄．环氧树脂改性水性聚氨酯胶粘剂的研究［Ｊ］．惠州学院学报：自然科学版，２０１7，３０（６）：８－１２．