一種水性環氧樹脂的合成方法及其性能

賀素姣，岳瑞豐，付大勇

（河南應用技術職業學院，河南省鄭州市 450042）

金屬腐蝕現象十分普遍，涉及到諸多行業，對生活、環境、工業發展的影響巨大。腐蝕是金屬基體損壞過程，受離子、水、空氣等環境因素影響發生電化學或化學反應。為避免金屬腐蝕導致的不良后果，多種防腐蝕手段（如鍍鋅陰極保護法，鍍惰性金屬、耐腐蝕金屬，涂層保護等）被提出并得到推廣應用［1-3］。與其他方法相比，涂層保護法應用最廣泛，該方法具有性價比高、效果顯著等特點。一方面，涂層保護法對基體材質和外形要求不高，施工過程簡單、適用性強［4］；另一方面，涂層保護法可以與其他方法配合使用，防護效果更佳。作為涂層保護材料，環氧樹脂具有力學性能優良、附著力強、耐化學藥品腐蝕性強、熱穩定性好等特點，在生產、生活、機械制造等領域應用廣泛［5-6］；但傳統環氧樹脂僅能溶于醇類、酮類、芳烴類等有機溶劑，很難溶于水，因此環氧樹脂的分散介質必須使用有機溶劑。另外，環氧樹脂需要配制成具有一定黏度和濃度才能作為涂料使用。采用有機溶劑稀釋存在成本高、易燃、易爆、毒性成分易揮發等缺點，不僅容易導致安全問題，而且危害操作人員的身體健康，同時嚴重污染環境。隨著人們環境保護意識越來越強，對揮發性有機物排放的要求越來越嚴格，因此，綠色環保材料備受歡迎，研究能夠溶于水的環氧樹脂涂料具有非常重要的理論意義和實用價值［7-10］。本工作研究了水性環氧樹脂的合成方法，并驗證了其性能。

1 實驗部分

1.1 主要原料

環氧樹脂，工業純，中國石油化工股份有限公司天津分公司；聚氧乙烯辛基苯酚醚-10（OP-10），十二烷基硫酸鈉（SDS）：均為分析純，廣州市創玥化工有限公司；過硫酸銨，分析純，淮安和元化工有限公司；丙烯酸丁酯，分析純，天津市永大化學試劑有限公司；苯乙烯，分析純，江蘇強盛功能化學股份有限公司；甲基丙烯酸，分析純，天津市致遠化學試劑有限公司。

1.2 試樣制備

水性環氧樹脂乳液的制備：（1）丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸提純，所用萃取劑為堿性氧化鋁；采用減壓蒸餾法提純苯乙烯；（2）向三口燒瓶中分別加入50.0 g環氧樹脂以及質量分數3.5%復合乳化劑（OP-10與SDS質量比為3∶1）；（3）將混合溶液加熱到75 ℃，并攪拌20 min，同時添加去離子水80.0 mL，流量為0.5 mL/min，持續乳化1 h；（4）用少量去離子水處理引發劑過硫酸銨，然后將引發劑溶液添加到預制乳液中，添加時間設定為4 h；（5）繼續反應1 h，經過濾得到水性環氧樹脂乳液。制備工藝見圖1。

圖1 水性環氧樹脂乳液的制備工藝Fig.1 Preparation process of water borne epoxy resin

將適量固化劑、助劑和顏填料加入到水性環氧乳液中，經分散、攪拌得到水性環氧樹脂涂料。

金屬基材選用馬口鐵，尺寸為50 mm×50 mm×1 mm。首先，通過噴砂打磨處理，除掉馬口鐵表面的鍍錫層和氧化膜；然后，用砂紙打磨以提高馬口鐵表面粗糙度進而提升涂料和基材之間的附著力；最后，利用乙醇去掉馬口鐵表面油脂，并儲存。在馬口鐵表面均勻涂刷已備好的涂料，50℃保溫，利用鼓風干燥箱加速涂料固化；涂料固化后，在其背面和邊緣處涂抹耐水硅膠，硅膠晾干后，則涂層制備完成。

1.3 性能測試

傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析：采用日本島津公司的FTIR-8300型傅里葉變換紅外光譜儀測試，KBr壓片，波數為400～4 000 cm-1。

乳液粒徑分布：將乳液稀釋后進行超聲分散，利用丹東百特科技有限公司的BT-9300型激光粒度分析儀測試。

中性耐鹽霧實驗：溫度為30 ℃，腐蝕劑選用質量分數3.5%的NaCl溶液；鹽霧時間為72 h，實驗結束后利用德國卡爾蔡司公司的EVO1型掃描電子顯微鏡觀察試樣表面變化情況。

電化學極性曲線采用上海辰華儀器有限公司的CHI760E型電化學工作站測試。

2 結果與討論

2.1 FTIR分析

從圖2可以看出： 813 cm-1處為環氧基的特征吸收峰；1 503，1 613，1 672 cm-1處為苯環骨架C＝C的特征吸收峰；2 337，2 864 cm-1處為脂肪族C—H的伸縮振動特征峰；1 267 cm-1處為C—O的伸縮振動特征峰；3 415 cm-1處為羥基的特征吸收峰，該處吸收峰跨度最大、最寬。通過對比環氧樹脂酯化前后的特征峰可以發現，環氧基團已全部打開，而且引入了羰基。

圖2 酯化前后環氧樹脂的FTIRFig.2 FTIR of epoxy resin before and after esterification

2.2 乳液粒徑分布

粒子的粒徑大小及其分布直接影響分散體系的穩定性以及涂層性質。考慮到乳化劑能夠使不相容的液體形成均勻、穩定的乳液，因此，選擇乳化劑質量分數為20%。從圖3可以看出：乳液最大粒徑約為0.80 μm，最小粒徑約為0.10 μm；絕大多數乳液粒徑為0.25～0.39 μm。乳化劑濃度越高，乳液粒子平均粒徑越小。不過乳化劑濃度達到一定值時，繼續增加乳化劑用量對粒子平均粒徑的影響不大。另外，粒徑小會降低粒子之間的聚集作用，進而降低粒子沉降速度，有利于提高體系穩定性。

2.3 涂層的防腐性能

為驗證涂層的耐化學藥品腐蝕性能，進行耐鹽霧實驗。為便于觀察，試樣涂層中添加淺綠色的顏料。從圖4看出：耐鹽霧實驗后，用肉眼觀察涂層表面，除了留有部分痕跡外未發現明顯缺陷。

從圖5可以看出：經鹽霧腐蝕處理后，涂層表面不再光滑、平整，雖然出現了橘皮狀缺陷，但該涂層并沒有出現面積較大的孔洞，說明水性環氧樹脂涂層并沒有失效，對金屬仍具有一定保護作用。這說明利用該方法制備的環氧樹脂涂層具有 比較理想的耐鹽霧性。

圖3 乳液粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of emulsion注： D為粒徑。

圖4 涂層的耐鹽霧實驗結果Fig. 4 Salt spray test results of coating

圖5 涂層耐鹽霧實驗前后的掃描電子顯微鏡照片Fig. 5 Scanning electron microscope photos of coating before and after salt spray test

根據電化學極化曲線可以計算試樣的腐蝕電流和腐蝕電位。通常情況下，腐蝕電位越大，腐蝕電流越小，涂層的防腐性能越好。從圖6可以看出：當涂層的腐蝕電位為-1.065 V時，腐蝕電流的數量級為-8.5，表明涂層具有非常好的防腐性能。

3 結論

a）水性環氧樹脂乳液具有比較理想的稀釋穩定性以及水溶性，乳液粒徑集中在0.25～0.39 μm。

b）涂層取得了較好的測試效果，具有比較理想的耐鹽霧性和較好的防腐性能。

圖6 電化學極化曲線Fig.6 Electrochemical polarization curve