新型陶瓷改性環氧樹脂涂料的制備及性能表征

摘要 本文用甘氨酸改性環氧樹脂，制備了水性環氧乳液。所制得的水性環氧乳液與陶瓷粉混合，在固化劑的作用下，得到了環氧樹脂陶瓷涂料。通過正交實驗確定了該涂料的最佳配方為：環氧樹脂20g，甘氨酸3.3g，聚乙二醇（10000）1.6g，陶瓷粉6g，環氧固化劑4.5g。經性能測試，該涂料具有較好的涂膜性能，涂層可在室溫下固化，使用方便。

關鍵詞 環氧樹脂，陶瓷粉，涂料，正交實驗，涂膜性能

1引 言

新型液狀環氧樹脂具有良好的化學性能和機械性能，在較大程度上提高了環氧樹脂的耐化學性、耐久性及柔韌性。如果以陶瓷顆粒為填料對液狀環氧樹脂進行改性，可以增加液狀環氧樹脂固體顆粒的含量，減少易揮發性有機化合物，提高涂層材料的耐腐蝕性和耐磨性。利用改進的陶瓷技術，制得的陶瓷環氧樹脂涂層材料既能提供良好的機械性能(柔韌性、抗磨性、耐沖擊性、延伸性)，也能提供良好的耐化學性(酸、堿、CO₂、H₂S、鹽水、酸性鹽水)。此外，這種高固體顆粒僅含有極少量的易揮發有機化合物，因此是十分環保的一種涂層材料[1]。

2005年，美國綜合應用工程公司開發成功CERAM-KOTE54陶瓷涂料，這種涂料可以在常溫下進行噴涂，操作十分簡便。由于該涂料陶瓷含量高達90％以上，并含有性能優異的改性環氧樹脂，所以涂層同時具備了陶瓷的剛性和環氧樹脂的韌性，從而使涂層具有超光滑的表面、極強的抗沖擊力和卓越的耐腐蝕性，適用于各種惡劣壞境，被稱為世界獨一無二的換代產品。

從資料檢索情況來看，國內外對該類環氧樹脂陶瓷涂料的研究報道不多，尚未檢索到系統的研究報道，具有研究的意義。

2實驗部分

2.1 主要儀器與試劑

儀器： 550型紅外光譜儀（美國），HH-2數顯恒溫水浴鍋（金壇市富華儀器有限公司），精密增力電動攪拌器（金壇市宏華儀器廠），BME100LX高剪切混合乳化機（上海威宇機電制造有限公司），微機控制電子萬能試驗機（深圳市瑞格爾儀器有限公司），TG328A電子天平(上海分析儀器國華儀表廠)。

試劑：雙酚A型環氧樹脂E-44，氨基乙酸（GLY），聚乙二醇（10000），六次甲基四胺，二乙烯三胺，三乙烯四胺，環氧固化劑(JA-1型)，氫氧化鈉，陶瓷粉（由工廠提供），A-900水性流平劑， G-303水性消泡劑。

2.2 環氧樹脂陶瓷涂料的制備

2.2.1環氧樹脂改性反應[2～5]

將已計量的E-44環氧樹脂、水、表面活性劑及預先用水溶解的甘氨酸投入三頸瓶中，在溫度為80～85℃下反應3h，制得水性環氧樹脂。下面是該反應方程式：

2.2.2水性環氧樹脂乳液的配制

將制得的水性環氧樹脂先用計量的氫氧化鈉水溶液中和，再用高剪切分散乳化機將其乳化，制得穩定的水性環氧乳液。

2.2.3涂膜的制備

取出一定量的改性環氧樹脂乳液與化學計量的固化劑及陶瓷粉混合均勻，并在攪拌下加入消泡劑和流平劑，持續攪拌5min，然后將所得產物噴涂于預處理過的鋁板上，室溫固化。

2.3 表征與性能測試

水性環氧樹脂用BME100LX高剪切混合乳化機分散乳化。

產品的性能用落砂法、鉛筆硬度法等方法測定。

產品的紅外光譜用美國550型紅外光譜儀測定，KBr壓片法定性表征反應產物。

3結果與討論

3.1 成膜物質的選用

由于環氧樹脂具有以下特點:（1）良好的分散性能，能同各種填料、樹脂、助劑互溶；（2）有較好的耐化學腐蝕性，尤其是耐堿性；（3）對各種基材有極好的粘結性；（4）具有良好的韌性、硬度、柔軟性和優良的耐水性。因此，以環氧樹脂作為成膜物質，在涂料方面具有廣泛的應用[6]。此外，環氧樹脂的分子量及用量對改性樹脂的性能影響很大，低分子量環氧樹脂的活性大，易進行改性，樹脂透明度好。高分子量環氧樹脂活性低，不易改性，但其涂膜耐沖擊性優于低分子量環氧樹脂[7]。根據本實驗的需要綜合考慮，決定選擇分子量相對較低的Ｅ-44環氧樹脂作為本實驗的成膜物質。

3.2 固化劑的確定

根據相關文獻[9]報道，對選定的幾種固化劑(六次甲基四胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、環氧樹脂固化劑（JA-1型）)進行對比實驗，得到的結果如表1所示。

根據表1的實驗結果，本文采用環氧樹脂固化劑（JA-1型）進行實驗。

3.3 正交實驗及結果分析

采用四因素四水平L16(44)正交實驗設計，固定環氧樹脂的質量為20g，考察甘氨酸、聚乙二醇（10000）、陶瓷粉和環氧樹脂固化劑對涂層主要性能的影響，通過極差分析篩選出最佳配方。正交實驗因素如表2所示。

3.4 各組分用量對涂層耐磨性的影響

各組分用量對涂層耐磨性的影響見圖1。

根據正交實驗結果，影響環氧樹脂基陶瓷涂料耐磨性因素的主次順序為：陶瓷粉>甘氨酸>聚乙二醇（10000）>環氧樹脂固化劑。由圖1可知，隨著甘氨酸、聚乙二醇（10000）用量的增加，涂層耐磨性先增大后減小。這可能是因為甘氨酸與聚乙二醇（10000）用量小時，改性后環氧樹脂的親水性不夠，難于乳化；當其用量過大時，會導致產物分子量增大，反應產物易聚結成團，對涂層耐磨性造成不利影響。陶瓷粉對涂層的耐磨性影響效果明顯，隨著陶瓷粉用量的增加，涂層耐磨性先增大后減小，這可能是因為陶瓷粉用量過多，樹脂無法完全包裹陶瓷粉，造成耐磨性減小。

3.5 各組分用量對涂層硬度的影響

各組分用量對涂層硬度的影響見圖2。

根據正交實驗結果，影響環氧樹脂基陶瓷涂料硬度因素的主次順序為： 陶瓷粉>甘氨酸>聚乙二醇（10000）＞環氧樹脂固化劑。由圖2可知，隨著甘氨酸、聚乙二醇（10000）和陶瓷粉用量的增加，涂層硬度先增大后減小。當甘氨酸及聚乙二醇（10000）的用量分別為3.3g和1.6g時，涂層硬度較好。對環氧樹脂基陶瓷涂料硬度影響最明顯的是陶瓷粉的用量，這是因為陶瓷粉中的硬質顆粒分布在涂層的表面，能提高其硬度。但當它在涂層中的含量增加到一定程度時，會在涂膜表面形成不均勻的顆粒，從而使其表面能降低，以致硬度降低。涂層硬度隨固化劑用量的增加，先減小后增大，這可能是因為固化劑用量的增加能提高其與基體樹脂間的交聯程度，有助于硬度的提高。

3.6 各組分用量對涂層抗沖擊強度的影響

各組分用量對涂層抗沖擊強度的影響見圖3。

根據正交實驗結果，影響環氧樹脂基陶瓷涂料抗沖擊強度因素的主次順序為：陶瓷粉>環氧樹脂固化劑>甘氨酸>聚乙二醇（10000）。由圖3可知，由于甘氨酸、聚乙二醇（10000）用量的大小對涂層的抗沖擊強度影響不明顯。陶瓷粉為影響涂層抗沖擊強度的主要因素，這是因為陶瓷粉的加入可以提高涂層的結合強度，隨著陶瓷粉用量的增加，涂層抗沖擊強度先增大后減小。樹脂對陶瓷粉的包覆效果在陶瓷粉加入量為6g時最好，若陶瓷粉含量繼續增大，包覆效果反而會降低，因此抗沖擊強度下降。由于環氧固化劑與環氧樹脂能夠很好混溶，并可與陶瓷粉產生很好的包覆，所以環氧固化劑用量的增加可以提高涂層抗沖擊強度。

綜上所述，影響環氧樹脂基陶瓷涂料性能的最主要因素為陶瓷粉的用量。根據實驗結果，制備環氧樹脂陶瓷涂料的最佳配方為：環氧樹脂E-44：20g，甘氨酸：3.3g，聚乙二醇（10000）：1.6g，陶瓷粉：6g，環氧固化劑（JA-1型）4.5g。在此條件下，環氧樹脂陶瓷涂料具有良好的涂膜性能，涂層的耐磨性、硬度及抗沖擊強度都較好。

3.7 紅外光譜表征

對環氧樹脂E-44及甘氨酸改性環氧樹脂進行紅外光譜表征，譜圖如圖4所示。

由圖4可以看出，920cm-1處是環氧基的特征峰，比較發現，反應后920cm-1處的環氧基的特征吸收峰減弱很多，說明甘氨酸已與環氧基反應接到環氧樹脂上。

4結 論

（1） 通過正交實驗和單因素實驗獲得了制備環氧樹脂陶瓷涂料的最優化配方：環氧樹脂（E-44）20g，甘氨酸3.3g，聚乙二醇（10000）1.6g，陶瓷粉6g，環氧固化劑（JA-1型）4.5g。

（2） 環氧樹脂基復合材料涂層具有較好的涂膜性能，涂層可在室溫下固化，使用方便。加入填料陶瓷粉可提高涂層結合強度，增強涂層的抗沖擊磨損能力，且該涂料最大的優勢在于污染很少，綠色環保。

參考文獻

1 張建偉(譯).新型陶瓷環氧樹脂技術在石油工業中的應用[J].國外石油機械.1998.(2)：50～51

2 石磊，劉偉區等.環氧樹脂水性化新方法及其涂料制備[J].化學建材，2006.22（3）：10～13

3 趙國璽等.表面活性劑作用原理[M].北京：中國輕工業出版社，2003

4 Clint J H.Surfactant Aggregation.London Glasgow:Blackie，1992：1～2

5 Myers D.Surfactant Science and Technology.2nd ed.New York:VCH，1992

6 武利民，李丹，游波.現代涂料配方設計[M].北京：化學工業出版社，2000，157～161

7 劉波，杜春林.水性環氧樹脂涂料的研究[J].遼寧化工，2006，35（8）：8～10

8 W EGMANN，ALEX.Chemical resistance of waterborne epoxy／amine coating[J].Progress in Organic Coating.1997，32(1-4)：231～239

9 鄭天亮，劉小平.固化劑乳化環氧樹脂涂料的研究及其應用前景[J].工程與技術.2003，（1）： 35～36

Study on Epoxy Resin Ceramics Coating

Ye Xiufang Gao Yonghui Sun Wenguan

（Foshan University Foshan Guangdong 528000）

Abstract： In this paper， hydrophilic property resin was prepared by glycine conferred hydrophilicity， then it was mixed with ceramic powder， and epoxy resin ceramics coating was prepared as prouduct. Experiment showed that the optimum condition of coatings was : epoxy resin 20g， glycine 3.3g， polyethylene glycol (10，000) 1.6g， ceramic powder 6g， epoxy firming agent 4.5g. Performance test showed that this coating has an excellent membrane performance， it can be solidified at the room temperature， and is easy to be operated.Keywords: epoxy resin，ceramic powder，coatings，orthogonal experiment，property