分析環(huán)氧改性水性聚氨酯涂料的合成與性能

楊小育

摘 要：文章主要探討了利用環(huán)氧改性來提高水性聚氨酯涂料的性能與質(zhì)量，并通過具體實驗的介紹與分析說明其中的原理和規(guī)律，以此來為日后水性聚氨酯涂料整體質(zhì)量的提升提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧改性；水性聚氨酯涂料；合成；性能

1 前言

近年來，隨著水性聚氨酯涂料在工業(yè)發(fā)展中用量的持續(xù)增加，如何提高涂料整體性能和質(zhì)量引起了相關(guān)部門的高度重視。結(jié)合當(dāng)前工業(yè)發(fā)展對涂料性能的具體要求，研究者們提出了通過環(huán)氧改性來提高水性聚氨酯涂料性能，以此來更好的推動水性聚氨酯涂料在工業(yè)發(fā)展中的有效應(yīng)用。

2 實驗部分

本次實驗主要可分為三個部分，即實驗原料與試劑的確定、環(huán)氧改性水性聚氨酯樹脂的合成以及涂膜性能比較。每一部分的操作都對水性聚氨酯涂料性能與質(zhì)量的提升有直接影響，因此，實驗人員必須明確掌握各個階段的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，確保實驗順利進(jìn)行。

2.1 實驗原料和儀器

原料和試劑是本次實驗必不可少的。其中，實驗原料主要包括：乙二胺、丙酮、甲苯二異氰酸酯、二羥甲基丙酸、聚醚二醇、環(huán)氧樹脂、N-甲基吡咯烷酮等。上述原料中，聚醚二醇的分子量為1000，氫值為115±15mgKOH·g-1。實驗中所使用的儀器則主要包括凝膠滲透色譜儀、傅立葉紅外光譜儀以及BrookfileRVDL-II+粘度儀等。

2.2 環(huán)氧改性水性聚氨酯樹脂的合成

想要實現(xiàn)水性聚氨酯樹脂的有效合成，必須保證合成工作在干燥的氮氣保護(hù)下進(jìn)行。首先，我們要先準(zhǔn)備好一個容量為1500mL的燒瓶，燒瓶除了要含有溫度計之外，還要具備必要的攪拌裝置和回流冷凝器，同時，還要準(zhǔn)備好甲苯二異氰酸酯聚醚二醇、丁二醇、環(huán)氧樹脂溶液和N-甲基吡咯烷酮溶液等試劑。然后，將燒瓶溫度升至80℃后，放入已經(jīng)經(jīng)過脫水處理的甲苯二異氰酸酯聚醚二醇，2小時后，保持溫度不變的前提下加入丁二醇，反應(yīng)1小時之后，判斷燒瓶中的溶液是否已經(jīng)到達(dá)反應(yīng)終點，確定已到反應(yīng)終點后，在燒杯中加入環(huán)氧樹脂和溶有二羥甲基丙酸的N-甲基吡咯烷酮溶液，加入上述溶液之后，應(yīng)將溫度從起初的80℃下調(diào)到65℃左右。這時要時刻關(guān)注NCO基的相應(yīng)數(shù)值，一旦數(shù)值達(dá)到規(guī)定值，就應(yīng)將溫度調(diào)低至40℃左右，并在此基礎(chǔ)上計入丙酮進(jìn)行稀釋。最后，通過真空的方式將丙酮脫去，得到水性聚氨酯分散體。需要注意的是，在本次實驗中，要對OH基和NCO基兩者的摩爾比進(jìn)行合理控制，一般為2：1。這樣一來，我們就完成了環(huán)氧改性水性聚氨酯樹脂的合成實驗。

2.3 環(huán)氧改性水性聚氨酯及其涂膜性能比較

從水性聚氨酯及其涂膜性能的各項參數(shù)中我們可以看出，環(huán)氧改性水性聚氨酯，不僅能夠在很大程度上提高涂膜的硬度和拉伸強(qiáng)度，而且還可以在一定程度上改善涂膜的耐溶劑和耐水性能。除此之外，用環(huán)氧改性水性聚氨酯樹脂配制的涂膜外觀較好，干燥速度快，能夠取代溶劑型單組分水性聚氨酯涂料。

3 結(jié)果與討論

3.1 環(huán)氧樹脂具體種類的一些影響

當(dāng)NCO和OH比例相同時，添加相同摩爾數(shù)不同環(huán)氧值的環(huán)氧樹脂后所合成的水性聚氨酯，其涂抹性能的檢測結(jié)果。表中的數(shù)據(jù)表明，當(dāng)環(huán)氧樹脂的環(huán)氧值降低時，改性水性聚氨酯乳液外觀的透明程度會降低，而且貯存穩(wěn)定性也會受到影響，但乳液薄膜的硬度、拉伸強(qiáng)度以及耐水性都會有所提升。究其原因，主要是因為當(dāng)環(huán)氧樹脂環(huán)氧值降低的時候，環(huán)氧樹脂的分子量和羥基含量會增大，進(jìn)而增大水性聚氨酯的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，增大水性聚氨酯分子上剛性苯環(huán)的含量。在這種情況下，水性聚氨酯涂膜的硬度、拉伸強(qiáng)度和耐水性就會有所提升。通過分析我們得出以下結(jié)論：改性水性聚氨酯所用的環(huán)氧樹脂的環(huán)氧值不能太小，如果環(huán)氧值太小，就會導(dǎo)致分子量過大，這樣就會導(dǎo)致改性水性聚氨酯涂膜硬脆，失去彈性，同時會降低乳液的貯存穩(wěn)定性。綜合上述集中環(huán)氧樹脂的性能，筆者覺得，選用E-44環(huán)氧樹脂最為合適。

3.2 環(huán)氧樹脂添加量的影響

控制好環(huán)氧樹脂添加量對水性聚氨酯涂料涂膜的性能與質(zhì)量的好壞也具有直接影響。實驗證明，當(dāng)環(huán)氧樹脂的環(huán)氧值降低時，改性水性聚氨酯乳液外觀的透明程度會降低，而且貯存穩(wěn)定性也會受到影響，但乳液薄膜的硬度、拉伸強(qiáng)度以及耐水性都會有所提升。一方面，環(huán)氧樹脂的添加量與聚氨酯涂料的交聯(lián)結(jié)構(gòu)之間存在正比關(guān)系，交聯(lián)結(jié)構(gòu)會隨著添加量增加而增加。交聯(lián)結(jié)構(gòu)較好，會直接作用于水性聚氨酯涂膜的整體質(zhì)量，使其從多個方面得到改善；另一方面，環(huán)氧樹脂添加量與水性聚氨酯中剛性苯環(huán)結(jié)構(gòu)之間同樣存在正比關(guān)系，而剛性苯環(huán)結(jié)構(gòu)直接作用的則是水性聚氨酯涂膜的玻璃化溫度。伴隨著環(huán)氧樹脂添加量的持續(xù)增加，樹脂交聯(lián)密度增大的同時，會大幅度降低樹脂的親水性，進(jìn)而影響到聚氨酯乳液的貯存穩(wěn)定性。綜上所述，為了確保環(huán)氧樹脂添加量的科學(xué)、合理，最佳的添加量應(yīng)控制在 4.0%～6.0%。

3.3 環(huán)氧樹脂在加料工藝的選擇

表1給出的是不同加料工藝方式條件下，環(huán)氧水性聚氨酯樹脂性能的差別，具體檢測結(jié)果如表1所示。

首先我們從反應(yīng)時間上來看，由快到慢分別是方式一、方式二、方式三。其次從環(huán)氧水性聚氨酯樹脂的整體性能來看，采用方式一所獲取的樹脂，后期粘度相對較大，因此會延長乳化工作時間，同時也會影響到乳液的貯存穩(wěn)定性。相比之下，采用方式三所獲取的樹脂不僅粘度較小，乳化時間快，而且乳液貯存穩(wěn)定。因為環(huán)氧樹脂參與水性聚氨酯的合成反應(yīng)，主要是環(huán)氧樹脂鏈兩端的環(huán)氧基優(yōu)先參與反應(yīng)，其次是環(huán)氧樹脂分子上的羥基參與反應(yīng)，另外存在氨基甲酸酯基與環(huán)氧基發(fā)生開環(huán)反應(yīng)，后兩類反應(yīng)為交聯(lián)反應(yīng)；隨著反應(yīng)溫度的升高，反應(yīng)時間的延長，交聯(lián)反應(yīng)的幾率增大，增加改性樹脂的交聯(lián)密度和涂膜的拉伸強(qiáng)度，降低了改性樹脂的親水性和乳液的貯存穩(wěn)定性。加料方式三由于反應(yīng)時間短和反應(yīng)溫度較低，既適當(dāng)增大了乳液的交聯(lián)密度，同時又不降低乳液的貯存穩(wěn)定性，該工藝穩(wěn)定，易于控制

4 結(jié)語

從本文的分析我們可以看出，在應(yīng)用水性聚氨酯涂料時，為了確保涂料性能和質(zhì)量達(dá)到應(yīng)用需求，可以以環(huán)氧樹脂、二羥甲基丙酸、聚醚以及二異氰酸酯為主要原料，通過實驗合成水性聚氨酯分散體之后，再利用環(huán)氧樹脂改性將其合成水性聚氨酯涂料。實驗表明，合成過后的水性聚氨酯涂料不僅具有較好的耐水性，而且粘度和硬度也會得到大幅度提升。

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