环氧树脂的特性及其作为功能性建筑材料的应用研究

张筱逸

(福建工程学院 土木工程学院，福建 福州 350000)

环氧树脂以其优异的性能和环境适应性，广泛用作电子封装、机械等领域[1-4]。此外，环氧树脂加工成本低，易于成型，且具有良好的耐腐蚀、耐燃烧性能，在建筑材料市场也有广泛的应用。据相关研究报道，这是由于环氧树脂含有活跃的环氧基和羟基官能团，使得环氧树脂很容易与其他材料结合制备成复合材料，进一步扩大了环氧树脂的市场前景。在一些基体材料中加入具有显著性能优势的环氧树脂基，可以得到具有一定功能特性的材料，例如耐热环氧树脂基复合材料[5]。根据对环氧树脂的消费市场调研发现，我国环氧树脂应用的最大领域是建筑、涂料行业，约占38%，其次是电子、机械领域约占28%，每个领域发展的速度略有差异，但市场总的需求量一直呈上涨趋势，其分布情况见图1[6]。

图1 环氧树脂消费分布情况

然而，研究人员在使用过程中发现环氧树脂具有较大的粘性，影响了其在使用过程中的简易程度。其次，在环氧树脂材料制备过程中，会使用有机溶剂进一步分散材料，从而达到好的分散效果。然而有机溶剂大多有毒，会对环境造成污染[7]。随着近些年，国内外对于绿色、环保的重视，使得环氧树脂的发展受到了一定的限制。因此，基于目前的现状，本文通过对国内外环氧树脂复合材料的研究现状进行总结和分析，并着重讨论了水性环氧树脂这一绿色前沿的研究方向。通过讨论，以期为以后的研究提供参考和意见。

1 环氧树脂材料的研究

1.1 环氧树脂材料的特性研究

环氧树脂的环状结构主要是由氧和碳原子组成，具有较高的活泼性。这种独特的结构使得环氧树脂的固化方式趋于多样化。这样的特殊结构使环氧树脂的固化形式趋于多样化。通常，通过环氧基、羟基含量、软化点等作为环氧树脂材料性能的评价指标。其中，环氧基是最为重要的特性指标，其可以通过环氧值、环氧当量等方式表示。此外，数字化之间的相互转换公式如下：

而羟基分子含量越大，其便能与其他树脂材料发生交联固化反应，所以环氧树脂的羟基含量会显著影响环氧树脂材料的性能。通常研究中采用羟基当量、羟基值来表示环氧树脂材料中的羟基含量。而软化点指的是环氧树脂材料在使用过程中呈现流动性时的转变温度点。显然，软化点越低，在实际应用中越方便。

由于环氧树脂其易固化的优势在传统建筑材料中得到了广泛应用。Shamsuddoha通过将具有不同含量的树脂通过一定的比例混合，制备出新型的环氧树脂浆料。这种新型的环氧树脂材料在实际应用中显示，其可以修复钢制管道的缺陷。此外，研究结果显示其具有更高的抗压强度和刚度。此外，其拉伸模量也达到了3 GPa。热分析结果显示，该环氧树脂材料的流动转变温度区间为60～90 ℃，这为实际使用过程中修复管道空隙提供了简单的操作条件[8]。

此外，环氧树脂优异的耐热、耐腐蚀性也被广泛地应用在建筑材料上。根据其在建筑中呈现出的不同性能，建筑类环氧树脂材料又可以分为防腐涂料、防火涂料等。据相关学者的研究结果发现，通过在防火涂料中加入一种耐热阻燃的改性环氧树脂可以显著提升涂料的性能。相比于普通的阻燃涂料，其固化速度更快、固化条件更低，防火效果更显著。

1.2 水性环氧树脂材料的研究

水性环氧树脂通常可以分为水稀释型和水乳化型两类。两种类型的水性环氧树脂都可以均匀弥散分布在水溶液介质中。因此，以水溶液作为分散剂，可以有效避免环氧树脂工艺流程中加入有机溶剂，有效降低了环氧树脂材料对环境的污染[9-11]。

据研究报道，通常可以采用相反转法、固化剂乳化法等方法制备水性环氧树脂材料。其中，相反转法是通过在高应力快速搅拌环氧树脂混合体系，与此同时不断地加入蒸馏水，最终得到水性环氧树脂材料。例如。海春杰等研究人员通过对聚乙二醇单甲醚进行改性，经过一定的反应后制备出环氧树脂的乳化剂，通过相反转法制备出水性环氧树脂材料。相关研究结果显示，通过此种方法制备的水性环氧树脂材料稳定性较高，粒径均匀且分散性较好[12]。

而化学乳化法是指通过一定的化学反应，引入亲水性基团，使得环氧树脂表现出亲水性。例如王浩林通过将环氧树脂与苯乙烯等材料均匀混合，并在一定条件下反应，制备出水性环氧树脂材料。研究结果显示，采用此种方法制备的水性环氧树脂材料，树脂分子链上存在亲水基团。此外，制备的水性环氧树脂材料稳定性较高，对于金属表面的附着力也较高，形成均匀的涂层结构。分析认为，这是因为有机硅有效地分散了体系中的乳化颗粒，表现出较好的综合性能[13]。

水性环氧树脂材料的特性具有以下特点，首先水性环氧树脂采用的分散介质通常为水或者水溶液，对环境污染较小，能够满足社会对于绿色环保的要求；除此之外，由于采用水为分散介质，因此不会发生有机溶剂易燃烧和爆炸的危险，提升了材料使用过程中的安全性；此外，相比于其他树脂材料，其软化点较低，可以用水进行清洗，因此在使用过程中较为便捷；由于与基材优异的结合能力，水性环氧树脂应用的范围更广，例如与一些难附着的聚丙烯等高分子材料也有良好的结合能力；此外，相比于溶剂型环氧树脂，水性环氧树脂在固化成膜后，其耐腐蚀性能和力学性能更为优异，环境适应性更强[13]。

而随着研究的进一步深入发现，水性环氧树脂中的分散介质挥发速度较慢，而这种现象在高温高湿度情况下更为显著。因此，若在实际应用中工艺控制不当，容易使得整个表面呈现出发白的现象，影响整个涂膜的综合性能。此外，由于水性环氧树脂材料的结冰点较高，需要加入适量的丙二醇等抗冻溶剂。水性环氧树脂涂料的分散性也相对较差，容易出现沉淀，所以也需要加入分散剂。因此，在实际应用中，水性环氧树脂通常与水性丙烯酸等树脂材料混合使用，能够改善其在使用过程中出现的一些问题。而进一步研究水性环氧树脂材料的具体应用方法也成为了国内外研究的热点。

2 水性环氧树脂作为功能性建筑材料的应 用研究

水性环氧树脂兼具优异的性能和环境友好性，更能够符合使用条件，使得环氧树脂的水性化研究越来越多。而据相关的研究表明，水性环氧树脂材料已经成为了树脂材料的研究热点。在建筑材料领域逐渐开始可取代溶剂型环氧树脂。而据相关研究统计，由于钢铁材料大面积的使用，钢铁腐蚀造成建筑物破坏的现象越来越多。而研究发现环氧树脂可以在钢铁基体表面形成致密的氧化膜，从而减缓钢铁表面的氧化行为。水性环氧树脂分子结构中大量的环氧基可以与其他固化剂发生反应，在材料表面形成环氧涂层，使得整个材料呈现出良好的机械性能和耐腐蚀和盐雾性能。此外，现有的一些环氧树脂材料也可以通过改性，从而转化为水性环氧树脂，这进一步扩展了水性环氧树脂材料的制备方法[14]。

除此之外，水性环氧树脂在无机材料的表面防护也得到了广泛的使用。研究人员通过在水泥中加入改性后的水性环氧树脂材料，并经过充分的混合最终形成混合物。研究结果显示，加入水性环氧树脂后的水泥固化后，材料的抗冲击性、拉伸强度、致密性、耐腐蚀性能及与对基材的结合能力都得到了显著的提升。相比于其他的环氧树脂材料，水性环氧树脂可以直接涂覆在潮湿或者新浇筑的建筑物表面。通过一定时间的反应后，水性环氧树脂在建筑物材料表面充分固化后，建筑物表面具有优异的抗渗效果，提升了建筑物的抗渗性和抗腐蚀性[15-17]。

在相关研究中，研究人员通过模拟建筑物材料的结构，制备出了改性沥青黏层的复合材料，研究了不同条件下水性环氧树脂复合材料的性能[18]。研究结果显示，水性环氧树脂含量加入的越多，复合材料呈现出越高的力学性能。而当水性环氧树脂含量较少时，周围环境的温度会对材料的性能造成较大的影响。当水性环氧树脂比例提升到20%时，环境温度材料力学性能的影响随之减小。进一步将环氧树脂含量对于材料性能的影响总结见表1[19]。

表1 不同含量水性环氧树脂的材料力学性能统计[19]

曾娟娟等通过三乙烯四胺与E51、聚乙二醇二缩水甘油醚反应合成了一种水性固化剂，采用该固化剂与E51、活性稀释剂、填料、水等制备了水性环氧树脂涂料。并将水性环氧树脂防水涂料的性能测试与JC/T 2217—2014的要求对比见表2[20]。

表2 水性环氧树脂涂料的性能

显然，相比于其他环氧树脂材料，水性环氧树脂不仅具有环氧树脂材料优异的性能，而且还具有更简单、易于施工的操作性以及更重要的环境友好性。水性环氧树脂必将在涂料、复合材料以及建筑设施建设等方面发挥越来越重要的作用[21-23]。

3 结束语

目前，制备出适用性更广、综合性能更佳的环氧树脂材料是国内外的发展趋势和研究热点。随着社会对于绿色、环保意识的增加，在追求高性能的同时更需要考虑产品对环境友好性。而在目前的市场上，许多环氧树脂复合材料在使用过程中已经取得较好的效果，但是也凸显出了一些环保、工艺问题。随着社会的进步，对环氧树脂复合材料的工艺也提出了更高的要求。水性环氧树脂不但具有环氧树脂材料优异的物理和化学性能，而且还兼具环境友好性，其必将在建筑建设等方面发挥越来越重要的作用。通过对国内外的环氧树脂复合材料进行研究和讨论，未来按照不同的使用条件和工作环境，研发出稳定、多功能的水性环氧树脂体系将是主要发展方向。