环氧树脂类美缝剂的制备及其性能测试

张常虎，陈 琪，吕李玥，乔启帆

（西安文理学院化学工程学院, 陕西 西安 710065）

0 引 言

环氧树脂美缝剂的颜色丰富,自然细腻,具有光泽,不退色的特点,有很强的装饰效果，可以和不同质地,不同颜色的瓷砖相互搭配,将艳丽的瓷砖缝和瓷砖融为一体，其凝固后，表面光滑如瓷，可以和瓷砖一起擦洗，美观有格调的同时兼顾防水防霉，耐污，易清洁功效[1]。其主要由环氧树脂和固化剂交联固化和掺杂色料加工而成，多属于油性物质，因环氧树脂种类繁多，实际应用考虑固化时间和使用环境可选择多种胺类固化剂，也是制备美缝剂的关键所在。但普通胺类固化剂存在挥发性大，毒性大，固化偏快，配比太严，易吸收二氧化碳降低固化效果等缺点。

本实验选择上海经天新材料科技有限公司推出的腰果酚改性胺固化剂（新产品3008,6015,6025等），属酚醛胺类固化剂，兼具一般的酚醛胺和低分子聚酰胺的性能。可以在室温下固化环氧树脂，也能在低温、潮湿条件下固化，与环氧树脂的固化物具有良好的韧性和相容性以及优异的防腐性能和耐化学介质性能，较好的憎水性[2]。也可用于配制快固型环氧胶粘剂和快干型环氧耐腐蚀涂料。

本实验主要研究在适量稀释剂调配下，按比例完成环氧树脂(E51)与新型腰果百酚类固化剂反应，满足美缝剂基本性能。通过对其亲水性、粘结强度、硬度等性能的测定以及形貌分析等，初步探究美缝剂配比情况。

1 实验部分

1.1 所用试剂与仪器

乙二醇缩水甘油醚（AGE），河南佰化利化工产品有限公司；环氧固化剂（3008）型柔性固化剂、（6015 型）超低温固化剂，上海经天新材料科技有限公司；环氧树脂（E51），山东肥城德源化工有限公司。BSZ23S 型电子天平；日立S- 3400NⅡ型扫描电子显微镜（SEM）；Nicoletis50 FT- IR 红外光谱；自动转塔显微硬度计（HXD-2000TMC/LCD）。

1.2 聚环氧树脂的制备

取约5g 的环氧树脂作为基准物，掺杂各种色料，加适量（1.5~3 g）的AGE 进行稀释，搅拌至均匀透明状，依固化速度加入（2~4 g）固化剂(3008,6015)，搅拌至均匀后，转移至模具内室温下静置不同(30 min~8 h）的时间，得到不同颜色的聚环氧树脂固态物质。

1.3 表征部分

1.3.1 形貌观察

宏观图片：用手机以一定倍数拍照，观测聚环氧树脂片粘接效果及呈现的颜色，观测不同色素，色度对美缝剂美感效果的影响。

微观结构观察：将原始聚环氧树脂片状样品用导电胶粘到样品平台上，喷金80 s，用扫描电子显微镜观察复聚合材料的形貌。电压30 kV，分辨率3.5 nm，最大束流2 μA。

1.3.2 静态液体接触角测试

接触角的测定方法是通过液体- 固体- 气体三相接合点，液滴弧形曲线的中点和固体表面的接触点测定出来的。本次将所制备聚环氧树脂聚合物表面刨光，放置接触角测量仪平台，连续滴6 滴润湿试剂（水和食用油），读其6 次接触角值，求其平均值，判断其润湿性。

1.3.3 硬度测量

选择聚环氧树脂系列样品，经过抛光机表面处理后，其平整光滑。采用数显型自动转塔显微硬度计测试，参数设置：负荷25 N、时间20 s、50 倍等条件下，对试样进行压痕，调节菱形点像素，自动显示硬度值。公式：HV=F/S，维氏硬度（符号HV）可用任意试验力进行试验。S（mm2）为标准片与压头之间的接触面积，依试验力F(N)下通过压头(四方锥金刚石，相对角=136°)在样品上形成的压痕的对角线长度d(mm)，两个方向长度的平均值)计算。

2 结论与分析

2.1 FT-IR 分析

由图1 可知，3008 和6015 固化剂是腰果类改性多元胺类的腰果酚醛胺固化剂，其物质基本特征峰[3-4]：3 009 cm-1为芳环的C-H 伸缩振动；2 926、2 854 cm-1为-CH2、-CH3伸缩振动；1 583~1 594 cm-1为芳环C=C 键的骨架振动吸收带；1 283~1 154 cm-1范围内出现C-N 的伸缩振动特征吸收峰。在环氧树脂E51 红外图，915 cm-1为E51 的环氧基的特征吸收峰，最后消失在A 和B 聚环氧树脂中，说明环氧基参与反应，且基本固化完全。

A-3008，B-6015图1 固化剂不同的产物红外图Fig. 1 The FT-IR curves of products with different curing agents

2.2 形貌分析

根据前期实验，发现同类固化剂的聚环氧树脂变化不大，因此选择组成比相同而不同固化剂样品形貌观察。由图2 所知，a,c 图是质量比（2∶5∶3）不同固化剂聚环氧树脂表面形貌，其表面平整，a 比c样品要显得更加均匀，c 图出现层状褶皱现象，由于3008 是柔性的固化剂，6015 是低温快速固化剂，而在相同固化温度下，6015 反应生成聚环氧树脂的时间较短，出现局部不均现象。对照截面b,d 图，柔性3008 固化剂反应的产品联接性较好，表现出一定韧性。d 图有层状分布瑕疵，体现硬度可能较大，但是脆，容易被破坏。

固化剂3008：a- 表面；b- 截面；固化剂6015：c- 表面，d- 截面图2 聚环氧树脂的扫描图Fig. 2 The SEM images of polyepoxy

2.3 力学性能

2.3.1 固化剂类型对硬度的影响

固化剂是本次系列试验中很关键的因素，它决定了聚环氧树脂的固化时间和性能要求。考虑聚环氧树脂作为美缝剂的使用，需要反应不十分剧烈，固化是个渐变过程，在满足施工便于操作和修复需求的同时，粘接性能和硬度都需要适中。通过实验，发现上海经天新材料科技有限公司固化剂3008 号和6015 号基本满足需求。由表1 可知，相同质量比（1.5∶5∶2）组成，3008 型固化的聚环氧树脂硬度偏高，同时，3008 型是个柔性系列的固化剂，正适合美缝剂的操作需求，6015 型是低温固化剂，常温时反应时间快于3008 型。所以本文侧重点是以3008型系列产品为研究。

表1 不同固化剂聚环氧树脂硬度值Table 1 The hardness of polyepoxy with different curing agents

2.3.2 物质组成比对硬度的影响

由表2 可知，选择固化剂3008 型聚环氧树脂系列的聚环氧树脂研究，随稀释剂AGE 含量的增大（序号1-2-5），硬度逐渐降低（21.8-14.2 N），说明稀释剂改变环氧基团分散程度，交联网状结构分散度降低。随固化剂含量增大时（序号2-3-4），硬度变化不太大（16.6-13.4-16.4 N），因环氧基含量一定时，树脂的有效反应点一定，即使改变固化剂量还是很难改变材料的性质。对于序号1 稀释剂偏少，固化剂含量最佳，满足环氧基团有效反应，体现的硬度最高。

2.4 表面润湿性能

液体与固体表面接触的润湿程度通常用接触角大小来衡量，当液体物质和相对面积更大的固体物质表面相接触时，整个系统共由3 种界面构成，分别是气- 液界面、气- 固界面、液- 固界面。当润湿性状态变化进入到一个平衡状态时，气- 液- 固三相界面的张力平衡，气- 液和固- 液界面之间的夹角即为接触角[5]。接触角（θ）是表征固体表面的润湿情况的一项重要指标，θ=90°是区分润湿与否的界限；θ<90 °是可润湿，呈现为亲水表面；θ>90°是不润湿，呈现为疏水表面；θ>150°呈现为超疏水表面[6]。一般接触角越小，润湿性越好，反之，润湿性较差[7]。

为了解聚环氧树脂的适应性，选择水系和油系测试它们的接触角。由表3 可知，选择固化剂3008 型对应的系列聚环氧树脂测试，随稀释剂和固化剂含量增大，接触角值变小（14.1-12.8°）和（14.1-11.7°），变化甚微，且远小于90 °，说明它们亲水性较好。原因是这类交联聚合的化合物，胺类固化剂带有一定的亲水基团（-OH、-NH-、-NH2)。表4 的接触角变化规律同表3，但是，整体的接触角值偏小（<100），说明润油性比润水性还强。

表4 固化剂3008 系列聚环氧树脂的亲油接触角Table 4 The contact angles of polyepoxy to oil with curing agent type 3008

2.5 效果展示

检验聚环氧树脂产品的效果，选择不同的色素掺杂固化过程。由图3 可知，因为考虑色素的稳定性和显色性，实验可选择多种无机物且能够均匀掺杂，不会对聚环氧树脂网络结构造成破坏，同时提高美的感觉。

图3 聚环氧树脂型美缝剂效果图Fig. 3 The practical applications of polyepoxy sealant

3 结 论

本文在乙二醇缩水甘油醚（AGE）稀释剂调配下，环氧树脂(E51) 与腰果酚类改性胺为固化剂（3008 和6015 型）完成多个比例实验，同时掺杂多种有色无机物，得到了颜色丰富的聚环氧树脂。通过红外表征，形貌观察，表面润湿性、硬度等性能的测定，得到结果如下：

（1）柔性3008 型与环氧树脂(E51)其固化速度及性能更适合美缝剂技术要求，6015 型固化剂更适合低温。

（2）3008 型聚环氧树脂系列，AGE，E51，固化剂3 者物质近似组成比（2∶5∶3）美缝剂，表面平整，硬度在16.4 N 左右，润湿性需要进一步探究。

（3）聚环氧树脂可搭配丰富的颜色，有很强的装饰效果，且便于操作，深受市场青睐，具有很好的应用前景。