水性環氧樹脂的改性研究與應用

摘 要：本研究采用環氧樹脂（E-51）、二乙醇胺等材料制備水性環氧樹脂乳液，使用有機納米蒙脫土對水性環氧樹脂乳液進行改性。將有機納米蒙脫土按比例加入環氧樹脂中，與固化劑按照1∶1的比例合成再生復合龍骨黏結劑。結果表明，當納米蒙脫土摻量為7%、合成溫度為55℃時，再生復合龍骨黏結劑的各項性能達到最優值，并且滿足標準要求，可以應用到實際的建筑工程中。

關鍵詞：環氧樹脂；有機納米蒙脫土；再生復合龍骨黏結劑

中圖分類號：TQ 32" " 文獻標志碼：A

隨著建筑行業的快速發展，建筑材料的需求也在日益增加。目前國內的建筑工程中，傳統木方使用率達到70%，傳統木方采自大自然，對環境造成了不小的損害。再生復合龍骨是對傳統廢棄模板進行再次加工，通過高溫擠壓、熱固成型等工藝制成，可根據需求設計其尺寸，在綠色低碳、環保等方面具有很大的潛力。

環氧樹脂黏結劑是一種具備高黏接性、高耐久性的常用于木材中的一種黏結劑[1]。一般情況下，環氧樹脂黏結劑要摻入親水基團或固化劑，這種方式影響了環氧樹脂的耐水性和粘接強度，因此，為提高環氧樹脂黏結劑的性能，很多人將納米管、石墨烯等材料加到環氧樹脂中，從而提高黏結性能[2]。由于石墨烯和納米管等材料的成本高，使黏結劑的成本大幅度提升[3]，因此研制一種高性能低成本的環氧樹脂是當下的研究重點。

納米蒙脫土是一種可用來做改性聚合物的納米材料，價格比石墨烯、納米管低[4]。本研究采用有機納米蒙脫土對環氧樹脂進行改性，不但降低了再生復合龍骨黏結劑的成本，而且提高了水性環氧樹脂再生復合龍骨黏結劑的各項性能。

1 試驗分析

1.1 試驗原材料

丙二醇甲醚，化學純；納米蒙脫土，化學純；二乙醇胺，化學純；環氧樹脂（E-51），化學純；溴代乙烷，化學純；醋酸，化學純；二乙烯三胺，化學純。

1.2 主要儀器

CMT-50電子萬能試驗機；分散性均勻性儀器（穩定性分析儀）；NDJ型旋轉黏度計；電子天平FA2104；MSH-R-03P型數顯加熱型磁力攪拌器。

1.3 試驗制備

1.3.1 制備固化劑

在容器中加入適量環氧樹脂（E-51）和適量的水，調節溫度為50℃左右，將二乙烯三胺勻速倒入容器使其與環氧樹脂混合，將丁基縮水甘油醚加入混合溶液，提高反應溫度為70℃左右，繼續攪拌一定時間，最后加入適量的醋酸即制成固化劑。

1.3.2 乳化劑制備

首先，在三口燒瓶中放入溫度計和冷凝管，加入適量的環氧樹脂（E-51），將三口燒瓶放入數顯型加熱型磁力攪拌器中升溫至75℃，其次，加入二乙醇胺，完全反應后加入溴代乙烷，將其蒸發處理，采用醋酸調節溶液pH，最后，制成環氧樹脂乳化劑。

1.3.3 環氧樹脂乳液制備

將環氧樹脂（E-51）與上述乳化劑混合并向其中勻速加入適量的水，提高攪拌器的轉速使其反應充分，再次加入適量的水，將制成的乳液固含量稀釋到50%左右。

1.3.4 水性環氧樹脂包覆蒙脫土

在配備攪拌器的容器中加入適量的環氧樹脂（E-51）和適量的有機納米蒙脫土，保持相對低速攪拌一定的時間，使其反應完全，攪拌完成后，向容器中加入上述乳化劑，并提高攪拌器的轉速攪拌一定時間，保證環氧樹脂可以充分包覆住有機納米蒙脫土。向容器中加入適量的水稀釋乳液，將固含量稀釋為50%左右。制成4組混合有機納米蒙脫土的環氧樹脂乳液樣品，其中，有機納米蒙脫土含量分別為1%、4%、7%和10%，將其命名為1號（1#）、2號（2#）、3號（3#）和4號（4#）樣本。

1.3.5 再生復合龍骨黏結劑制備

在容器中混合上述固化劑和上述混合有機納米蒙脫土的環氧樹脂乳液，兩種原材料摻量相同即制得再生復合龍骨黏結劑。

1.4 測試與表征

存放穩定性及外形狀態：目測方式觀察樣本的顏色、外觀狀態等物理性能。

耐水性：耐水性測試采用常規浸泡法。將樣品放置在常溫條件中1d，使用加熱設備在80℃左右的溫度下加熱，并反復稱量至質量不再變化（x1），將已干燥的樣品放置在常溫的水中浸泡2d，浸泡后拿出擦干表面的水稱重，此時的質量為x2。表觀吸水率（X）的計算過程如公式（1）所示。

X=（x₂-x₁）/x₁" （1）

透明性：使用小刷子將制成的再生復合龍骨黏結劑刷在小塊玻璃上，觀察不同蒙脫土摻量的樣品透明性能。

Zeta電位：采用穩定性分析儀對改性環氧樹脂進行Zeta電位測試。

黏度：按照GB/T 2794—2013標準，采用旋轉黏度計對樣本進行測試。

壓縮剪切強度：參考HG/T 2727—2010標準制備樣品，使用CMT-50試驗機檢測。

力學性能測試：將制成的黏結劑應用在再生復合龍骨并與普通的環氧樹脂膠進行對比，按照《木結構試驗方法標準》（GB/T 50329—2012）檢測其抗彎性能。

2 結果與討論

2.1 環氧樹脂乳液的存放穩定性及外形狀態

改性材料有機納米蒙脫土的摻入量對乳液的內部構造可以起到決定性影響。對制得的4個樣品存放穩定性及外形狀態進行整理，見表1。

由表1可知，當4#樣品有機納米蒙脫土摻入量為10%時，與其他3種樣品不同，4#樣品的狀態為凝膠狀態。其原因可能是隨著有機納米蒙脫土摻量的增加，乳液發生了超量的交聯反應，從而降低了粘接性能[5]。綜上所述，在這些樣品中，3#樣本的存放穩定性及外形狀態比較好。

2.2 耐水性檢測

材料的耐水性能與吸水性能成反比，因此可以用材料的吸水率來表示耐水性，本次試驗制備的4個不同有機納米蒙脫土摻量的樣品的吸水率情況如圖1所示。

由圖1可知，當4個樣品中的有機納米蒙脫土摻量增加時，再生復合龍骨黏結劑的吸水率呈現先減后增的趨勢。4個樣品的吸水率分別為4#＞1#＞2#＞3#，耐水性分別為3#＞2#＞1#＞4#。4個樣品中吸水率最小的是3#，吸水率為28%，得出結論：當有機納米蒙脫土的摻量為7%時，再生復合龍骨黏結劑具備最高的耐水性能。本次試驗中的3#、4#樣品的蒙脫土摻量相差3%，吸水率有大幅度提高，因為有機納米蒙脫土材料的吸水率比環氧樹脂高很多，加到乳液中提高了4#樣品的吸水率，所以樣品整體的耐水性受到影響。

2.3 透明性檢測

根據改性環氧樹脂的透明性表征有機納米蒙脫土和環氧樹脂的適應性。樣本的透明性越高，環氧樹脂和有機納米蒙脫土的適應性越高，樣本內部出現分離時，其適應性較低。當樣本中的兩相界面處形成散射時，適應性也較低。根據制成的樣品透明性的高低，可發現不同樣本制成的再生復合龍骨黏結劑在使用后是否具備較好的適應性，樣品透明性能試驗結果見表2。

由表2可知，本次試驗制備的4種不同有機納米蒙脫土摻量的樣品透明性能有較大區別，透明性能分別為3#＞2#＞1#＞4#。4#樣品的透明性能表現為很差，可能是因為4#樣品的有機納米蒙脫土摻量為10%，所以與環氧樹脂相互的適應性不是很好。3#樣品的透明性表現為優秀，這表明3#樣品的有機納米蒙脫土摻量為最優透明性能的摻量，此時樣品表現出比較好的適應性。

2.4 環氧樹脂再生復合龍骨黏結劑的穩定性

Zeta電位值可以表征本次試驗制備的4個樣品穩定性能強弱。本次試驗采用分散性均勻性儀器對4個樣品的Zeta電位值進行檢測，Zeta電位數值如圖2所示。

由圖2可知，4個樣品的Zeta電位數值分別為-57mV，-51mV，-48mV，-42mV。隨著樣品中有機納米蒙脫土的摻量增加，Zeta電位的數值反而在不斷減少，1#樣品的穩定性最高，4#樣品的穩定性最低。綜上所述，3#樣本綜合了低摻量且具有較高的穩定性，有機納米蒙脫土的摻量7%為最佳。

2.5 壓縮剪切強度

本次試驗制成4個不同有機納米蒙脫土摻量的再生復合龍骨黏結劑樣品，對其壓縮剪切強度進行測試，結果如圖3所示。

由圖3可知，隨著樣品中有機納米蒙脫土摻量的不斷增加，樣品的壓縮剪切強度呈現先增后減的趨勢。3#樣品在干燥狀態和潮濕狀態下的壓縮剪切強度分別為11MPa和6MPa，在4個樣品中的數值最高。綜上所述，當3#樣品有機納米蒙脫土的摻量為7%時，改性環氧樹脂再生復合龍骨黏結劑有相對較高的壓縮剪切強度。

2.6 合成溫度對樣本黏度的影響

在不同的合成溫度下制備3#樣本再生復合龍骨黏結劑的黏度，結果如圖4所示。

由圖4可知，隨著合成溫度不斷升高，樣本的黏度呈現先升再降的趨勢。當合成溫度為55℃時，樣本的黏度達到最大值（2.1Pa?s）。隨著合成溫度的升高，溶液中引發劑的分解效率隨之提高，自由基使速率提高，分子運動速率隨之加快[6]；當合成溫度提高到一定程度時，一些分子隨鏈終止加快而出現不能接枝的情況，黏度也隨之變小[7]。為了保證改性環氧樹脂再生復合龍骨黏結劑具有較高的黏性，將合成溫度設定為55℃。

2.7 再生復合龍骨抗彎強度測試

取25根40mm×70mm的再生復合龍骨，再生復合龍骨由高分子纖維布包裹廢舊模板制成的內芯構成。分別采用3#樣本和市售的4種黏結劑應用在再生復合龍骨上，每種取5根的平均值作為抗彎強度值。分別測試它們的抗彎強度，結果見表3。

由表3可知，將自制的3#樣本應用在再生復合龍骨上時表現出的抗彎性能最高，抗彎強度值為35MPa，這表明自制的黏結劑比其他市售黏結劑更適用于再生復合龍骨中，自制的黏結劑的粘結強度比市售黏結劑性能更高，表現出了更高的粘結強度與抗彎強度。本次試驗表明自制的再生復合龍骨黏結劑使高分子纖維布與內芯之間粘結更加牢固，適應性更好，提高了抗彎強度。

3 結論

本研究采用有機納米蒙脫土改性水性環氧樹脂。當有機納米蒙脫土摻量為7%、合成溫度為55℃時，水性環氧樹脂、再生復合龍骨黏結劑的各項性能達到最優值。

將自制黏結劑與市售黏結劑應用在再生復合龍骨上測試其抗彎強度，結果表明，自制黏結劑使高分子纖維布與內芯之間粘結更加牢固，與再生復合龍骨更加適配。

參考文獻

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[3]馬浩天，田如錦，文鐘晟.金屬有機框架及其衍生納米負極材料[J].化學進展，2023，35（12）：1807-1846.

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[6]劉旭陽.雙酚AP環氧丙烯酸樹脂的合成及其光固化性能研究[D].福州：福建師范大學，2016.

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