关键词：环氧树脂 乳化剂 水性环氧涂料 环氧乳液

笔者导读

1、随着国家标准GB 30981-2020 《工业防护涂料中有害物质限量》的实施，国家对工业防护涂料的VOC有了明确的限定，因此，水性环氧涂料部分代替溶剂型涂料是未来的发展趋势。

2、目前市面上一些环氧乳液，由于储存稳定性不好，放置一段时间容易沉底，影响涂料最终效果。本期将要解读的文献，研究人员通过合成一种对环氧树脂具有良好乳化能力的乳化剂，以此为原料，分别搭配三种工业常用的环氧树脂，制备出粒径分布窄，储存稳定性好的环氧乳液，在双组分水性环氧涂料领域有较好的应用前景。

以上是笔者的一家之言，仅供参考。

背景介绍

水性涂料具有低毒、低气味、对人体健康和环境危害小或几乎无危害的特点。因此，它是涂料未来发展趋势之一。水性环氧涂料因其良好的附着力和耐化学腐蚀性，被广泛应用于防腐、阻燃等领域。水性环氧乳液是水性环氧涂料的重要组成部分；目前制备水性环氧乳液主要有两种方法：相反转法和化学改性法。

通过化学改性法，制备出储存稳定、粒径小的水性环氧乳液并不困难。然而，目前大多数的化学改性方法要么是对高分子量环氧树脂进行改性，要么是破坏环氧树脂中的环氧基团，这些改性方法可能导致固化产物交联密度不足，从而影响水性涂料的涂膜性能。找到适合的化学改性方法，从而保证涂料的稳定性和优异的涂膜性能仍然是一个挑战。然而，通过相反转法得到的水性环氧乳液在分子链中保留了环氧基团，提供了足够的固化反应位点，同时具有较高的固含量。此外，相反转法较为简单，目前在实际工业生产中已经得到了广泛的应用。

但相反转法的缺点是乳液粒径难以控制，粒径分布较宽，分散稳定性差。解决相反转法缺陷的关键是合成一种对环氧树脂具有良好乳化能力的乳化剂。华南理工大学化工学院的Dan Ai等研究人员制备了一种以环氧树脂段为疏水端、聚醚段为亲水端的阳离子水性环氧乳化剂。用合成的乳化剂乳化3种常见的、有代表性的环氧树脂E51、E20、NPPN631，制备出水性环氧乳液WEP51、WEP20、WEP631。通过对固化机理的探索，研究了涂层微观结构和宏观性能。研究成果发表在《Progress in Organic Coatings》。

研究内容

1. 环氧树脂乳化剂的合成

以乙醇胺（ETA）、环氧树脂、聚乙二醇二缩水甘油醚（PEGDGE）为原料，通过开环反应合成环氧树脂乳化剂，合成路线见方案1。在500ml四口烧瓶中加入100g 环氧树脂（E20）、50g溶剂（30g丙二醇甲醚、20g 正丁醇）和43.6g 聚乙二醇二缩水甘油醚，搅拌加热至80℃，然后滴加9.2g乙醇胺。体系在80℃维持4h，冷却至60℃，加入9g 冰乙酸中和叔胺。中和的目的是避免叔胺引发环氧基团的开环交联反应。最后用真空蒸馏法除去溶剂，得到淡黄色透明环氧乳化剂。

2. 水性环氧乳液的合成

在容器中加入50g自制乳化剂， 100 g E51。系统的水浴温度维持在60 ~ 70℃。在3000 - 4000rpm的高速搅拌下，以4ml/min的速度缓慢地向容器中加水。体系粘度先下降后缓慢上升。当黏度达到峰值时，滴速提高到5ml/min。随着加水量的增加，系统的粘度又开始下降。当粘度突然下降时，说明系统完成了W/O 到O/W的反转过程。这时，迅速加水，将水性环氧乳液理论固含量调整到55%。同样，NPPN631和E20的乳化过程也是相同的。在容器中加入50g自制乳化剂， 100 g E51。系统的水浴温度维持在60 ~ 70℃。在3000 - 4000rpm的高速搅拌下，以4ml/min的速度缓慢地向容器中加水。体系粘度先下降后缓慢上升。当黏度达到峰值时，滴速提高到5ml/min。随着加水量的增加，系统的粘度又开始下降。当粘度突然下降时，说明系统完成了W/O 到O/W的反转过程。这时，迅速加水，将水性环氧乳液理论固含量调整到55%。同样，NPPN631和E20的乳化过程也是相同的。

3. 水性环氧涂料的制备

将水性环氧分散体WEP631、WEP51、WEP20与水性环氧固化剂Banco901按环氧基团与活泼氢摩尔比1:1（质量比分别1.7:1、1.9:1、4:1）混合，加入10%的水调节粘度。在马口铁片（120mm*50mm）和玻璃板（100mm*100mm）上涂刷23±3μm厚的水性环氧涂料。涂膜在室温下干燥7天，以确保乳液和固化剂反应完全。

结果讨论

1、乳化剂结构对乳化性能的影响

2、红外分析

3、乳化剂用量对乳液粒径的影响

4、水性环氧涂料的性能

5、玻璃转换温度

6、热重分析

7、两种水性环氧涂料体系固化机理的比较

结论

利用自制的乳化剂，采用相反转法成功地制备了三种粒径小、储存稳定性好的水性环氧乳液。以PGEDGE与E20环氧树脂的摩尔比为2:1制备的乳化剂，对E20、E51和NPPN631环氧树脂具有良好的乳化能力，其克拉夫特点为56℃，HLB值为16。用该乳化剂对环氧树脂进行乳化，制备水性环氧乳液时，最佳乳化剂用量为33%。对于WEP631、WEP51和WEP20三种乳液，WEP631乳液制备的涂层在热稳定性和硬度方面优于WEP51和WEP20。水性环氧乳液与水性环氧固化剂混合后的涂膜性能优于环氧树脂和水性环氧固化剂混合后的性能，这主要与固化机理不同有关。

参考资料: 

AiD, Mo R, Wang H, et al. Preparation of waterborne epoxy dispersion and itsapplication in 2K waterborne epoxy coatings[J]. Progress in Organic Coatings, 2019,136:105258.

编辑：汤晟

作者：王亚鑫