高性能環氧高分子材料的制備及應用

邱振宇

(天津大學仁愛學院，天津 301636)

環氧高分子材料性能優異，應用廣泛[1-4]，越來越成為地坪涂裝的主流材料[5-8]。但環氧高分子材料耐候性不佳，通常僅作為室內地坪涂裝材料使用。

近年來，國家對于戶外健身路徑的投入逐漸加大[9-12]。相較于聚氨酯和丙烯酸材料，環氧高分子材料特點明顯，優勢突出，但耐候性不佳制約著其作為戶外健身路徑地面材料應用。

為了改善環氧高分子材料耐候性不佳的問題，本文采用行之有效的分子設計和配方設計方法[1,13-15]：采用結構特殊的改性固化劑進行化學改性。制備出耐候性明顯優于國外競品材料，耐磨性、附著力等性能穩定的高性能環氧高分子材料，有望能作為戶外地面材料使用。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

環氧樹脂128(南亞，牌號：NPEL-128，純度>99%)；改性固化劑(自制，純度>97%)；單官能活性稀釋劑C12～C14(美國瀚森，純度>99%)；膨潤土(純度>99%)、石英粉(800目，純度>99%)、碳酸鈣(800目，純度>99%)均為市售產品。

萊思LS-UV3紫外線耐候老化實驗箱；瑞格爾RGM-2200微機控制電子萬能實驗機；BN-X6型智能數顯擺式摩擦系數儀。

1.2 材料制備

改性環氧高分子材料的基礎配方見表1，制備方法如下：

表1 改性高性能環氧高分子材料基礎配方Table 1 Basic formula of high-performance epoxy polymer materials

先將環氧樹脂128和單官活性稀釋劑C12～C14混合，800 r/min分散5 min，然后加入膨潤土；1 200 r/min 分散10 min；然后加入石英粉和碳酸鈣，1 200 r/min分散30 min；最后加入改性固化劑分散15 min；脫泡后按照測試要求制備成所需的膜或者樣條。

1.3 測試及表征

UV老化實驗：按GB/T 14522—2008執行；拉伸強度和斷裂伸長率測試：按GB/T 1040.3—2006執行；耐水性測試：30 ℃水中浸泡24 h，觀察涂膜；耐堿性測試：30 ℃ Ca(OH)2飽和溶液中浸泡24 h，觀察；低溫抗裂性：-10 ℃保持4 h，室溫放置4 h為一個循環，連續做3個循環后觀察涂膜開裂情況，是否有裂紋；抗滑性測試：擺式摩擦系數儀測定BPN值，其中45≤BPN<55，屬于普通防滑等級，55≤BPN<70屬于中防滑等級，BPN≥70屬于高防滑等級；附著力測試：按GB 1720—79(89)執行。

2 結果與討論

2.1 改性高性能環氧高分子材料涂膜性能

表2是改性高性能環氧高分子材料與國外競品材料的涂膜外觀、耐水性、耐堿性、低溫抗裂性、抗滑值和附著力等涂膜性能的測試數據。從結果可以看出，改性高性能環氧高分子材料和國外競品材料的涂膜外觀、耐水耐堿、低溫開裂性能均優異，成膜均勻，水泡和堿水浸泡后涂膜無異常。改性高性能環氧高分子材料的附著力明顯比國外對比材料自主研發材料優異(級數越低，附著力越好)。在抗滑性上，改性高性能環氧高分子材料的BPN值達到70，屬于高防滑等級材料；附著力達到1級。改性高性能環氧高分子材料的抗滑性和附著力都明顯超過了國外競品材料。改性高性能環氧高分子材料的涂膜性能優異，特別是優異的抗滑性和附著力，作為全民健身場地地面材料使用，比國外競品性能更好，更有優勢。

表2 改性高性能環氧高分子材料與國外競品材料對比Table 2 Comparison of high-performance epoxy polymer materials with foreign competitive materials

2.2 改性高性能環氧高分子材料的UV老化性能

表3和圖1是改性高性能環氧高分子材料和國外競品材料的UV老化測試結果。結果表明，經過改性的高性能環氧高分子材料在UV老化測試中性能下降不明顯。經過UV測試15周，拉伸強度僅從14 MPa降低至13 MPa；斷裂伸長率從40%降低至30%，雖然都呈現下降趨勢，但是下降幅度小，拉伸強度和斷裂伸長率能在長時間內保持在初始水平，表明該材料在應用過程中耐候性好，材料強度，材料彈性等能長時間保持，性能穩定。拉伸強度達到13～14 MPa，斷裂伸長率穩定在30%～40%，較好地平衡了強度和彈性，適用于地面材料使用，如健身場地等要求一定強度、耐磨和彈性的使用場合。而國外競品材料的強度和斷裂伸長率雖然初始的強度和斷裂伸長率和高性能改性環氧高分子差別不大，但其耐候性不佳，性能有明顯的衰退，拉伸強度下降了10 MPa，斷裂伸長率下降幅度更大，從42%降低至15%，材料的耐候性和穩定性明顯不如改性的高性能環氧高分子材料。

表3 改性高性能環氧高分子材料與國外競品UV老化測試Table 3 UV aging test of high-performance epoxy polymer materials and foreign competitive materials

圖1 改性高性能環氧高分子材料與國外競品UV老化測試性能變化趨勢Fig.1 UV aging properties of high-performance epoxy polymer materials and foreign competitive materials

2.3 固化劑用量對改性高性能環氧高分子材料的性能影響

固定環氧樹脂128、碳酸鈣、單官活性稀釋劑的用量不變，隨著填料碳酸鈣用量從150份增加至250份，探索了不同改性固化劑用量對材料性能的影響，配方及測試結果總結見表4和圖2。

表4 不同改性固化劑用量對改性高性能環氧高分子材料性能的影響Table 4 Effect of different amount of modified curing agent on properties of high-performance epoxy polymer materials

由表4和圖2可知，保持環氧樹脂和C12～C14稀釋劑的用量不變，改性固化劑從150份提高至250份，制得的環氧高分子材料拉伸強度和斷裂伸長率均沒有明顯的變化。這是因為，該改性固化劑具有特殊的產生分子結構，既能與環氧樹脂產生化學反應，形成交聯網絡結構；又含有硅氧烷基團，能夠和無機填料表面產生化學鍵結合，應力通過界面有效進行傳遞，提高環氧高分子材料和無機填料之間的界面結合強度[16-17]；而且改性固化劑自身的硅氧烷基團還能起到自交聯的作用[18]。正因為該改性固化劑在配方中的多重相互作用，使得改性環氧高分子材料的交聯密度能保持在一個穩定的水平，即使隨著改性固化劑的用量變化，環氧高分子材料仍然能保持性能穩定。該改性固化劑在此配方中的容忍度高、容錯率高、易于配膠、方便施工。

圖2 不同改性固化劑用量對改性高性能環氧高分子材料性能變化趨勢Fig.2 Effect of different amount of modified curing agent on properties of high-performance epoxy polymer materials

2.4 填料用量對改性高性能環氧高分子材料的性能影響

表5和圖3為不同填料用量對改性環氧高分子材料性能的影響。

圖3 不同填料用量對改性高性能環氧高分子材料性能變化趨勢Fig.3 Effect of different amount of fillers on properties of high-performance epoxy polymer materials

表5 不同填料用量對改性高性能環氧高分子材料性能的影響Table 5 Effect of different amount of fillers on properties of high-performance epoxy polymer materials

固定環氧樹脂128，改性固化劑，單官活性稀釋劑的用量不變，隨著填料碳酸鈣用量從150份增加至250份，改性環氧高分子材料的拉伸強度保持在14～15 MPa波動；斷裂伸長率雖然隨著填料用量有所降低，但是降低幅度很小，斷裂伸長率保持在36%～40%。這是因為改性固化劑中含有硅氧烷基團，能夠和無機填料表面產生化學鍵結合，應力通過界面有效進行傳遞，提高環氧高分子材料和無機填料之間的界面結合強度[16-18]，克服了常見的因無機填料加入而導致的相分離使得強度下降的問題。該改性環氧高分子材料在保持一定強度要求的前提下可容納填料量大，可以降低成本，容忍度高，容錯率高，易于配方設計，該特點特別適合于作為高速公路材料，全民健身場地地面材料等用量大，對材料成本要求低的場合使用。

3 結論及展望

通過改性固化劑進行改性得到高性能環氧高分子材料，并對改性的環氧高分子材料進行了耐磨耐用性、附著力、防滑性、耐候性等性能研究。附著力(劃圈法)1級；抗滑值(BPN)達到70，屬于高防滑型。

改性環氧高分子材料耐候性好，UV老化測試15周，強度和斷裂伸長率的降低不明顯，強度保持在13～14 MPa，斷裂伸長率保持在30%～40%，強度和斷裂伸長率明顯強于國外同類型競品。

探索了不同改性固化劑用量和不同填料用量對該環氧高分子材料的性能影響，結果表明該環氧高分子材料對固化劑用量以及填料容納度高，配方設計性強；在很寬的范圍內均具有穩定的性能。

該高性能環氧高分子材料耐磨耐用，附著力好，防滑效果佳，耐候性優異，性能穩定，有望作為戶外地面材料使用。特別是作為全民健身場地地面材料，具有傳統聚氨酯和丙烯酸材料不具備的特點，有望在全民健身領域廣泛應用。