環氧樹脂的特性及其作為功能性建筑材料的應用研究

張筱逸

(福建工程學院 土木工程學院，福建 福州 350000)

環氧樹脂以其優異的性能和環境適應性，廣泛用作電子封裝、機械等領域[1-4]。此外，環氧樹脂加工成本低，易于成型，且具有良好的耐腐蝕、耐燃燒性能，在建筑材料市場也有廣泛的應用。據相關研究報道，這是由于環氧樹脂含有活躍的環氧基和羥基官能團，使得環氧樹脂很容易與其他材料結合制備成復合材料，進一步擴大了環氧樹脂的市場前景。在一些基體材料中加入具有顯著性能優勢的環氧樹脂基，可以得到具有一定功能特性的材料，例如耐熱環氧樹脂基復合材料[5]。根據對環氧樹脂的消費市場調研發現，我國環氧樹脂應用的最大領域是建筑、涂料行業，約占38%，其次是電子、機械領域約占28%，每個領域發展的速度略有差異，但市場總的需求量一直呈上漲趨勢，其分布情況見圖1[6]。

圖1 環氧樹脂消費分布情況

然而，研究人員在使用過程中發現環氧樹脂具有較大的粘性，影響了其在使用過程中的簡易程度。其次，在環氧樹脂材料制備過程中，會使用有機溶劑進一步分散材料，從而達到好的分散效果。然而有機溶劑大多有毒，會對環境造成污染[7]。隨著近些年，國內外對于綠色、環保的重視，使得環氧樹脂的發展受到了一定的限制。因此，基于目前的現狀，本文通過對國內外環氧樹脂復合材料的研究現狀進行總結和分析，并著重討論了水性環氧樹脂這一綠色前沿的研究方向。通過討論，以期為以后的研究提供參考和意見。

1 環氧樹脂材料的研究

1.1 環氧樹脂材料的特性研究

環氧樹脂的環狀結構主要是由氧和碳原子組成，具有較高的活潑性。這種獨特的結構使得環氧樹脂的固化方式趨于多樣化。這樣的特殊結構使環氧樹脂的固化形式趨于多樣化。通常，通過環氧基、羥基含量、軟化點等作為環氧樹脂材料性能的評價指標。其中，環氧基是最為重要的特性指標，其可以通過環氧值、環氧當量等方式表示。此外，數字化之間的相互轉換公式如下：

而羥基分子含量越大，其便能與其他樹脂材料發生交聯固化反應，所以環氧樹脂的羥基含量會顯著影響環氧樹脂材料的性能。通常研究中采用羥基當量、羥基值來表示環氧樹脂材料中的羥基含量。而軟化點指的是環氧樹脂材料在使用過程中呈現流動性時的轉變溫度點。顯然，軟化點越低，在實際應用中越方便。

由于環氧樹脂其易固化的優勢在傳統建筑材料中得到了廣泛應用。Shamsuddoha通過將具有不同含量的樹脂通過一定的比例混合，制備出新型的環氧樹脂漿料。這種新型的環氧樹脂材料在實際應用中顯示，其可以修復鋼制管道的缺陷。此外，研究結果顯示其具有更高的抗壓強度和剛度。此外，其拉伸模量也達到了3 GPa。熱分析結果顯示，該環氧樹脂材料的流動轉變溫度區間為60～90 ℃，這為實際使用過程中修復管道空隙提供了簡單的操作條件[8]。

此外，環氧樹脂優異的耐熱、耐腐蝕性也被廣泛地應用在建筑材料上。根據其在建筑中呈現出的不同性能，建筑類環氧樹脂材料又可以分為防腐涂料、防火涂料等。據相關學者的研究結果發現，通過在防火涂料中加入一種耐熱阻燃的改性環氧樹脂可以顯著提升涂料的性能。相比于普通的阻燃涂料，其固化速度更快、固化條件更低，防火效果更顯著。

1.2 水性環氧樹脂材料的研究

水性環氧樹脂通常可以分為水稀釋型和水乳化型兩類。兩種類型的水性環氧樹脂都可以均勻彌散分布在水溶液介質中。因此，以水溶液作為分散劑，可以有效避免環氧樹脂工藝流程中加入有機溶劑，有效降低了環氧樹脂材料對環境的污染[9-11]。

據研究報道，通常可以采用相反轉法、固化劑乳化法等方法制備水性環氧樹脂材料。其中，相反轉法是通過在高應力快速攪拌環氧樹脂混合體系，與此同時不斷地加入蒸餾水，最終得到水性環氧樹脂材料。例如。海春杰等研究人員通過對聚乙二醇單甲醚進行改性，經過一定的反應后制備出環氧樹脂的乳化劑，通過相反轉法制備出水性環氧樹脂材料。相關研究結果顯示，通過此種方法制備的水性環氧樹脂材料穩定性較高，粒徑均勻且分散性較好[12]。

而化學乳化法是指通過一定的化學反應，引入親水性基團，使得環氧樹脂表現出親水性。例如王浩林通過將環氧樹脂與苯乙烯等材料均勻混合，并在一定條件下反應，制備出水性環氧樹脂材料。研究結果顯示，采用此種方法制備的水性環氧樹脂材料，樹脂分子鏈上存在親水基團。此外，制備的水性環氧樹脂材料穩定性較高，對于金屬表面的附著力也較高，形成均勻的涂層結構。分析認為，這是因為有機硅有效地分散了體系中的乳化顆粒，表現出較好的綜合性能[13]。

水性環氧樹脂材料的特性具有以下特點，首先水性環氧樹脂采用的分散介質通常為水或者水溶液，對環境污染較小，能夠滿足社會對于綠色環保的要求；除此之外，由于采用水為分散介質，因此不會發生有機溶劑易燃燒和爆炸的危險，提升了材料使用過程中的安全性；此外，相比于其他樹脂材料，其軟化點較低，可以用水進行清洗，因此在使用過程中較為便捷；由于與基材優異的結合能力，水性環氧樹脂應用的范圍更廣，例如與一些難附著的聚丙烯等高分子材料也有良好的結合能力；此外，相比于溶劑型環氧樹脂，水性環氧樹脂在固化成膜后，其耐腐蝕性能和力學性能更為優異，環境適應性更強[13]。

而隨著研究的進一步深入發現，水性環氧樹脂中的分散介質揮發速度較慢，而這種現象在高溫高濕度情況下更為顯著。因此，若在實際應用中工藝控制不當，容易使得整個表面呈現出發白的現象，影響整個涂膜的綜合性能。此外，由于水性環氧樹脂材料的結冰點較高，需要加入適量的丙二醇等抗凍溶劑。水性環氧樹脂涂料的分散性也相對較差，容易出現沉淀，所以也需要加入分散劑。因此，在實際應用中，水性環氧樹脂通常與水性丙烯酸等樹脂材料混合使用，能夠改善其在使用過程中出現的一些問題。而進一步研究水性環氧樹脂材料的具體應用方法也成為了國內外研究的熱點。

2 水性環氧樹脂作為功能性建筑材料的應 用研究

水性環氧樹脂兼具優異的性能和環境友好性，更能夠符合使用條件，使得環氧樹脂的水性化研究越來越多。而據相關的研究表明，水性環氧樹脂材料已經成為了樹脂材料的研究熱點。在建筑材料領域逐漸開始可取代溶劑型環氧樹脂。而據相關研究統計，由于鋼鐵材料大面積的使用，鋼鐵腐蝕造成建筑物破壞的現象越來越多。而研究發現環氧樹脂可以在鋼鐵基體表面形成致密的氧化膜，從而減緩鋼鐵表面的氧化行為。水性環氧樹脂分子結構中大量的環氧基可以與其他固化劑發生反應，在材料表面形成環氧涂層，使得整個材料呈現出良好的機械性能和耐腐蝕和鹽霧性能。此外，現有的一些環氧樹脂材料也可以通過改性，從而轉化為水性環氧樹脂，這進一步擴展了水性環氧樹脂材料的制備方法[14]。

除此之外，水性環氧樹脂在無機材料的表面防護也得到了廣泛的使用。研究人員通過在水泥中加入改性后的水性環氧樹脂材料，并經過充分的混合最終形成混合物。研究結果顯示，加入水性環氧樹脂后的水泥固化后，材料的抗沖擊性、拉伸強度、致密性、耐腐蝕性能及與對基材的結合能力都得到了顯著的提升。相比于其他的環氧樹脂材料，水性環氧樹脂可以直接涂覆在潮濕或者新澆筑的建筑物表面。通過一定時間的反應后，水性環氧樹脂在建筑物材料表面充分固化后，建筑物表面具有優異的抗滲效果，提升了建筑物的抗滲性和抗腐蝕性[15-17]。

在相關研究中，研究人員通過模擬建筑物材料的結構，制備出了改性瀝青黏層的復合材料，研究了不同條件下水性環氧樹脂復合材料的性能[18]。研究結果顯示，水性環氧樹脂含量加入的越多，復合材料呈現出越高的力學性能。而當水性環氧樹脂含量較少時，周圍環境的溫度會對材料的性能造成較大的影響。當水性環氧樹脂比例提升到20%時，環境溫度材料力學性能的影響隨之減小。進一步將環氧樹脂含量對于材料性能的影響總結見表1[19]。

表1 不同含量水性環氧樹脂的材料力學性能統計[19]

曾娟娟等通過三乙烯四胺與E51、聚乙二醇二縮水甘油醚反應合成了一種水性固化劑，采用該固化劑與E51、活性稀釋劑、填料、水等制備了水性環氧樹脂涂料。并將水性環氧樹脂防水涂料的性能測試與JC/T 2217—2014的要求對比見表2[20]。

表2 水性環氧樹脂涂料的性能

顯然，相比于其他環氧樹脂材料，水性環氧樹脂不僅具有環氧樹脂材料優異的性能，而且還具有更簡單、易于施工的操作性以及更重要的環境友好性。水性環氧樹脂必將在涂料、復合材料以及建筑設施建設等方面發揮越來越重要的作用[21-23]。

3 結束語

目前，制備出適用性更廣、綜合性能更佳的環氧樹脂材料是國內外的發展趨勢和研究熱點。隨著社會對于綠色、環保意識的增加，在追求高性能的同時更需要考慮產品對環境友好性。而在目前的市場上，許多環氧樹脂復合材料在使用過程中已經取得較好的效果，但是也凸顯出了一些環保、工藝問題。隨著社會的進步，對環氧樹脂復合材料的工藝也提出了更高的要求。水性環氧樹脂不但具有環氧樹脂材料優異的物理和化學性能，而且還兼具環境友好性，其必將在建筑建設等方面發揮越來越重要的作用。通過對國內外的環氧樹脂復合材料進行研究和討論，未來按照不同的使用條件和工作環境，研發出穩定、多功能的水性環氧樹脂體系將是主要發展方向。