分析环氧改性水性聚氨酯涂料的合成与性能

杨小育

摘 要：文章主要探讨了利用环氧改性来提高水性聚氨酯涂料的性能与质量，并通过具体实验的介绍与分析说明其中的原理和规律，以此来为日后水性聚氨酯涂料整体质量的提升提供一定的参考。

关键词：环氧改性；水性聚氨酯涂料；合成；性能

1 前言

近年来，随着水性聚氨酯涂料在工业发展中用量的持续增加，如何提高涂料整体性能和质量引起了相关部门的高度重视。结合当前工业发展对涂料性能的具体要求，研究者们提出了通过环氧改性来提高水性聚氨酯涂料性能，以此来更好的推动水性聚氨酯涂料在工业发展中的有效应用。

2 实验部分

本次实验主要可分为三个部分，即实验原料与试剂的确定、环氧改性水性聚氨酯树脂的合成以及涂膜性能比较。每一部分的操作都对水性聚氨酯涂料性能与质量的提升有直接影响，因此，实验人员必须明确掌握各个阶段的关键环节，确保实验顺利进行。

2.1 实验原料和仪器

原料和试剂是本次实验必不可少的。其中，实验原料主要包括：乙二胺、丙酮、甲苯二异氰酸酯、二羟甲基丙酸、聚醚二醇、环氧树脂、N-甲基吡咯烷酮等。上述原料中，聚醚二醇的分子量为1000，氢值为115±15mgKOH·g-1。实验中所使用的仪器则主要包括凝胶渗透色谱仪、傅立叶红外光谱仪以及BrookfileRVDL-II+粘度仪等。

2.2 环氧改性水性聚氨酯树脂的合成

想要实现水性聚氨酯树脂的有效合成，必须保证合成工作在干燥的氮气保护下进行。首先，我们要先准备好一个容量为1500mL的烧瓶，烧瓶除了要含有温度计之外，还要具备必要的搅拌装置和回流冷凝器，同时，还要准备好甲苯二异氰酸酯聚醚二醇、丁二醇、环氧树脂溶液和N-甲基吡咯烷酮溶液等试剂。然后，将烧瓶温度升至80℃后，放入已经经过脱水处理的甲苯二异氰酸酯聚醚二醇，2小时后，保持温度不变的前提下加入丁二醇，反应1小时之后，判断烧瓶中的溶液是否已经到达反应终点，确定已到反应终点后，在烧杯中加入环氧树脂和溶有二羟甲基丙酸的N-甲基吡咯烷酮溶液，加入上述溶液之后，应将温度从起初的80℃下调到65℃左右。这时要时刻关注NCO基的相应数值，一旦数值达到规定值，就应将温度调低至40℃左右，并在此基础上计入丙酮进行稀释。最后，通过真空的方式将丙酮脱去，得到水性聚氨酯分散体。需要注意的是，在本次实验中，要对OH基和NCO基两者的摩尔比进行合理控制，一般为2：1。这样一来，我们就完成了环氧改性水性聚氨酯树脂的合成实验。

2.3 环氧改性水性聚氨酯及其涂膜性能比较

从水性聚氨酯及其涂膜性能的各项参数中我们可以看出，环氧改性水性聚氨酯，不仅能够在很大程度上提高涂膜的硬度和拉伸强度，而且还可以在一定程度上改善涂膜的耐溶剂和耐水性能。除此之外，用环氧改性水性聚氨酯树脂配制的涂膜外观较好，干燥速度快，能够取代溶剂型单组分水性聚氨酯涂料。

3 结果与讨论

3.1 环氧树脂具体种类的一些影响

当NCO和OH比例相同时，添加相同摩尔数不同环氧值的环氧树脂后所合成的水性聚氨酯，其涂抹性能的检测结果。表中的数据表明，当环氧树脂的环氧值降低时，改性水性聚氨酯乳液外观的透明程度会降低，而且贮存稳定性也会受到影响，但乳液薄膜的硬度、拉伸强度以及耐水性都会有所提升。究其原因，主要是因為当环氧树脂环氧值降低的时候，环氧树脂的分子量和羟基含量会增大，进而增大水性聚氨酯的交联结构，增大水性聚氨酯分子上刚性苯环的含量。在这种情况下，水性聚氨酯涂膜的硬度、拉伸强度和耐水性就会有所提升。通过分析我们得出以下结论：改性水性聚氨酯所用的环氧树脂的环氧值不能太小，如果环氧值太小，就会导致分子量过大，这样就会导致改性水性聚氨酯涂膜硬脆，失去弹性，同时会降低乳液的贮存稳定性。综合上述集中环氧树脂的性能，笔者觉得，选用E-44环氧树脂最为合适。

3.2 环氧树脂添加量的影响

控制好环氧树脂添加量对水性聚氨酯涂料涂膜的性能与质量的好坏也具有直接影响。实验证明，当环氧树脂的环氧值降低时，改性水性聚氨酯乳液外观的透明程度会降低，而且贮存稳定性也会受到影响，但乳液薄膜的硬度、拉伸强度以及耐水性都会有所提升。一方面，环氧树脂的添加量与聚氨酯涂料的交联结构之间存在正比关系，交联结构会随着添加量增加而增加。交联结构较好，会直接作用于水性聚氨酯涂膜的整体质量，使其从多个方面得到改善；另一方面，环氧树脂添加量与水性聚氨酯中刚性苯环结构之间同样存在正比关系，而刚性苯环结构直接作用的则是水性聚氨酯涂膜的玻璃化温度。伴随着环氧树脂添加量的持续增加，树脂交联密度增大的同时，会大幅度降低树脂的亲水性，进而影响到聚氨酯乳液的贮存稳定性。综上所述，为了确保环氧树脂添加量的科学、合理，最佳的添加量应控制在 4.0%～6.0%。

3.3 环氧树脂在加料工艺的选择

表1给出的是不同加料工艺方式条件下，环氧水性聚氨酯树脂性能的差别，具体检测结果如表1所示。

首先我们从反应时间上来看，由快到慢分别是方式一、方式二、方式三。其次从环氧水性聚氨酯树脂的整体性能来看，采用方式一所获取的树脂，后期粘度相对较大，因此会延长乳化工作时间，同时也会影响到乳液的贮存稳定性。相比之下，采用方式三所获取的树脂不仅粘度较小，乳化时间快，而且乳液贮存稳定。因为环氧树脂参与水性聚氨酯的合成反应，主要是环氧树脂链两端的环氧基优先参与反应，其次是环氧树脂分子上的羟基参与反应，另外存在氨基甲酸酯基与环氧基发生开环反应，后两类反应为交联反应；随着反应温度的升高，反应时间的延长，交联反应的几率增大，增加改性树脂的交联密度和涂膜的拉伸强度，降低了改性树脂的亲水性和乳液的贮存稳定性。加料方式三由于反应时间短和反应温度较低，既适当增大了乳液的交联密度，同时又不降低乳液的贮存稳定性，该工艺稳定，易于控制

4 结语

从本文的分析我们可以看出，在应用水性聚氨酯涂料时，为了确保涂料性能和质量达到应用需求，可以以环氧树脂、二羟甲基丙酸、聚醚以及二异氰酸酯为主要原料，通过实验合成水性聚氨酯分散体之后，再利用环氧树脂改性将其合成水性聚氨酯涂料。实验表明，合成过后的水性聚氨酯涂料不仅具有较好的耐水性，而且粘度和硬度也会得到大幅度提升。

参考文献：

[1] 贾俊，田蕾，刘晓宇.环氧改性水性聚氨酯涂料的合成与性能分析[J].化工管理，2014（35）.

[2] 翁沫冉.关于环氧改性水性聚氨酯涂料的合成与性能研究[J].科研，2016（10）.