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室溫固化水性環氧涂料進展

   全文摘自:中國環氧樹脂網   

   隨著涂料科學和技術的發展以及人們新的理念和法規意識,對環保提出了愈來愈高的要求。涂料向高固體分和水性涂料方向發展已成為涂料界的共識。其中,水性環氧涂料特別是室溫固化的水性環氧涂料是取得的重要成果之一,其性能已可達到與溶劑型環氧涂料相匹配的水平。
    眾所周知,與溶劑型涂料相比,水性環氧涂料具有諸多優點,如低的V優含量、較小的氣昧、使用安全、可用水清洗等。盡管水性涂料的原料價格較高,但在工業和商業上仍有很大的吸引力,正在被不斷地推廣。水性雙組分環氧涂料在市場上已有許多應用,如高性能的建筑涂料、設備底漆、工業廠房地板漆、運輸工具底漆、汽車維修底漆以及工業維修面漆等。因此,室溫固化的水性環氧涂料將有很大的發展前景,國外已研究和開發了很多新的品種。
1水性環氧涂料的類型
    市場上廣泛使用的水性環氧涂料主要是由兩組分組成:一組分是疏水性的環氧樹脂;另一組分是親水性的膠類固化劑。基于二個組分的物理形態,E C.Gaigoci等人將水性環氧涂料分為以下五種類型,表1所示。
表1  室溫固化的水性環氧涂料的類型
類型 環氧樹脂 固化劑
1 液體或液體乳液 水可溶性膠
2 固體分散體 水可溶性膠含竣基或膠基官能團的丙烯酸
3 液體或固體乳液分散體
4 液體或液體乳液 胺分散體
5 固體分散體 胺分散體
    表中所有這些水性環氧樹脂涂料體系,有一個共同的特點:環氧樹脂是疏水性的,以分散體的形式存在(乳液也可以認為是一種分散體)。第1類和第2類是目前已商品化的,仔細分析可見,樹脂是液體或固體的環氧,是疏水性的,而固化劑是水可溶的膠類化合物,是親水性的。這樣,樹脂與固化劑之間在親水性與疏水性方面存在很大差別,這將導致在溶度參數上的不相匹配,從而對涂料的成膜性產生不利的影響。因為涂料在成膜過程中,涉及到疏水性的樹脂粒子的擴散、聚結以及親水性的膠固化劑進入到樹脂相的過程。盡管有很多因素會影響到這個過程,如體系的粘度、溶劑的性質,但樹脂與固化劑之間能達到的混合程度,即二者的溶度參數的匹配性,是最重要的影響因素。如果溶度參數匹配的好,有利于涂料的成膜,也有利于漆膜各項性能的提高。
    第3類是用膠中和的水可稀釋的丙烯酸分散體為固化劑,與環氧乳液搭配,俗稱環氧丙烯酸涂料。這類涂料同樣在樹脂與固化劑之間的親水性上存在不相匹配的問題。第4和第5類是考慮了上述原因后在九十年代末期發展起來的新的室溫固化水性環氧涂料。
    2新一類室溫固化水性環氧涂料
    為了提高環氧樹脂與固化劑之間的相容性,使其與溶度參數相匹配,從而提高室溫固化環氧涂料的性能,美國Shell化學公司開發了一種新穎的室溫固化環氧涂料,即表1中的第5類產品。這類環氧涂料所用的樹脂有二種:一種是常用的雙酚A環氧樹脂;另一種是中等分子量多官能團的環氧樹脂。但環氧樹脂都需親水基團改性,如與親水的聚乙二醇、醇隧化合物或非離子表面活性劑進行改性反應,在環氧樹脂分子中引人親水基團,使其具有自乳化性能。固化劑是比較保密的,是一種雙盼A與膠的加成物,同樣經過用親水基團改性,而體系中不存在游離的非離子表面活性劑,是一種水性分散體或水包泊的乳液。把樹脂和固化劑設計成分散體的形式,主要是合成一種有一定疏水性(即親油性)的,并能與樹脂有很好相容性的固化劑。樹脂與固化劑的溶度參數相接近,改變了過去膠類固化劑是水可溶性的狀態,提高了與樹脂的匹配,而環氧樹脂則提高其親水性,可自乳化,這就是第5類環氧涂料的特點。
    這一類涂料的固化成膜過程與過去的環氧涂料(如第1或第2類)不同。第1或第2類環氧涂料使用的是水溶性固化劑,兩組分混合后固化時,固化劑從水相擴散進入樹脂粒子,因此,樹脂粒子表面的固化劑濃度比較高,使表面容易固化而變得比較硬。樹脂粒子表面硬殼的形成,會阻止樹脂粒子的聚結成膜,最終使漆膜中的樹脂和固化劑分布不均勻,從而影響到漆膜的性能。
    第5類的環氧涂料樹脂和固化劑都是分散體,兩組分混合后是相互分離的,當干燥成膜時,可認為發生反乳化過程(de-emulsification),這過程發生得很快,二者分散相的粘度比較低,匹配性又比較好,會發生端流狀態的均勻混合,得到很均勻的漆膜。用原子力顯微鏡(AFM)技術掃描漆膜表面所得到的結果表明,漆膜的均勻性有了很大的提高。
    新一類環氧涂料的固化劑是水分散體,可用水來降低體系的蒙古度,而不會發生相分離,不用加人其他有機試劑。而第2類涂料,在稀釋時,為使膠固化劑穩定,常須加入乙酸。而且,一般來說,固化劑在水中的溶解度愈大,得到的漆膜耐水性愈差,可見,第5類涂料的樹脂和固化劑都是具有一定的疏水性,所以在耐水性方面得到了很大的政進。
    新穎環氧涂料的另一個改進是將親水性的非離表面活性劑連結到樹脂和固化劑的分子中。這一新技術降低了表面活性劑的用量,也就是說在體系中不存在游離的表面活性劑,從而降低了涂料對水性有機溶劑的敏感性。下面列舉固化劑與樹脂不同配比所得面漆的實驗結果,并與第2類環氧涂料的結果比較,干燥溫度為(25±1)℃,相對濕度為(50±5)%.    

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