一种水性环氧树脂的合成方法及其性能

贺素姣，岳瑞丰，付大勇

（河南应用技术职业学院，河南省郑州市 450042）

金属腐蚀现象十分普遍，涉及到诸多行业，对生活、环境、工业发展的影响巨大。腐蚀是金属基体损坏过程，受离子、水、空气等环境因素影响发生电化学或化学反应。为避免金属腐蚀导致的不良后果，多种防腐蚀手段（如镀锌阴极保护法，镀惰性金属、耐腐蚀金属，涂层保护等）被提出并得到推广应用［1-3］。与其他方法相比，涂层保护法应用最广泛，该方法具有性价比高、效果显著等特点。一方面，涂层保护法对基体材质和外形要求不高，施工过程简单、适用性强［4］；另一方面，涂层保护法可以与其他方法配合使用，防护效果更佳。作为涂层保护材料，环氧树脂具有力学性能优良、附着力强、耐化学药品腐蚀性强、热稳定性好等特点，在生产、生活、机械制造等领域应用广泛［5-6］；但传统环氧树脂仅能溶于醇类、酮类、芳烃类等有机溶剂，很难溶于水，因此环氧树脂的分散介质必须使用有机溶剂。另外，环氧树脂需要配制成具有一定黏度和浓度才能作为涂料使用。采用有机溶剂稀释存在成本高、易燃、易爆、毒性成分易挥发等缺点，不仅容易导致安全问题，而且危害操作人员的身体健康，同时严重污染环境。随着人们环境保护意识越来越强，对挥发性有机物排放的要求越来越严格，因此，绿色环保材料备受欢迎，研究能够溶于水的环氧树脂涂料具有非常重要的理论意义和实用价值［7-10］。本工作研究了水性环氧树脂的合成方法，并验证了其性能。

1 实验部分

1.1 主要原料

环氧树脂，工业纯，中国石油化工股份有限公司天津分公司；聚氧乙烯辛基苯酚醚-10（OP-10），十二烷基硫酸钠（SDS）：均为分析纯，广州市创玥化工有限公司；过硫酸铵，分析纯，淮安和元化工有限公司；丙烯酸丁酯，分析纯，天津市永大化学试剂有限公司；苯乙烯，分析纯，江苏强盛功能化学股份有限公司；甲基丙烯酸，分析纯，天津市致远化学试剂有限公司。

1.2 试样制备

水性环氧树脂乳液的制备：（1）丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸提纯，所用萃取剂为碱性氧化铝；采用减压蒸馏法提纯苯乙烯；（2）向三口烧瓶中分别加入50.0 g环氧树脂以及质量分数3.5%复合乳化剂（OP-10与SDS质量比为3∶1）；（3）将混合溶液加热到75 ℃，并搅拌20 min，同时添加去离子水80.0 mL，流量为0.5 mL/min，持续乳化1 h；（4）用少量去离子水处理引发剂过硫酸铵，然后将引发剂溶液添加到预制乳液中，添加时间设定为4 h；（5）继续反应1 h，经过滤得到水性环氧树脂乳液。制备工艺见图1。

图1 水性环氧树脂乳液的制备工艺Fig.1 Preparation process of water borne epoxy resin

将适量固化剂、助剂和颜填料加入到水性环氧乳液中，经分散、搅拌得到水性环氧树脂涂料。

金属基材选用马口铁，尺寸为50 mm×50 mm×1 mm。首先，通过喷砂打磨处理，除掉马口铁表面的镀锡层和氧化膜；然后，用砂纸打磨以提高马口铁表面粗糙度进而提升涂料和基材之间的附着力；最后，利用乙醇去掉马口铁表面油脂，并储存。在马口铁表面均匀涂刷已备好的涂料，50℃保温，利用鼓风干燥箱加速涂料固化；涂料固化后，在其背面和边缘处涂抹耐水硅胶，硅胶晾干后，则涂层制备完成。

1.3 性能测试

傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析：采用日本岛津公司的FTIR-8300型傅里叶变换红外光谱仪测试，KBr压片，波数为400～4 000 cm-1。

乳液粒径分布：将乳液稀释后进行超声分散，利用丹东百特科技有限公司的BT-9300型激光粒度分析仪测试。

中性耐盐雾实验：温度为30 ℃，腐蚀剂选用质量分数3.5%的NaCl溶液；盐雾时间为72 h，实验结束后利用德国卡尔蔡司公司的EVO1型扫描电子显微镜观察试样表面变化情况。

电化学极性曲线采用上海辰华仪器有限公司的CHI760E型电化学工作站测试。

2 结果与讨论

2.1 FTIR分析

从图2可以看出： 813 cm-1处为环氧基的特征吸收峰；1 503，1 613，1 672 cm-1处为苯环骨架C＝C的特征吸收峰；2 337，2 864 cm-1处为脂肪族C—H的伸缩振动特征峰；1 267 cm-1处为C—O的伸缩振动特征峰；3 415 cm-1处为羟基的特征吸收峰，该处吸收峰跨度最大、最宽。通过对比环氧树脂酯化前后的特征峰可以发现，环氧基团已全部打开，而且引入了羰基。

图2 酯化前后环氧树脂的FTIRFig.2 FTIR of epoxy resin before and after esterification

2.2 乳液粒径分布

粒子的粒径大小及其分布直接影响分散体系的稳定性以及涂层性质。考虑到乳化剂能够使不相容的液体形成均匀、稳定的乳液，因此，选择乳化剂质量分数为20%。从图3可以看出：乳液最大粒径约为0.80 μm，最小粒径约为0.10 μm；绝大多数乳液粒径为0.25～0.39 μm。乳化剂浓度越高，乳液粒子平均粒径越小。不过乳化剂浓度达到一定值时，继续增加乳化剂用量对粒子平均粒径的影响不大。另外，粒径小会降低粒子之间的聚集作用，进而降低粒子沉降速度，有利于提高体系稳定性。

2.3 涂层的防腐性能

为验证涂层的耐化学药品腐蚀性能，进行耐盐雾实验。为便于观察，试样涂层中添加浅绿色的颜料。从图4看出：耐盐雾实验后，用肉眼观察涂层表面，除了留有部分痕迹外未发现明显缺陷。

从图5可以看出：经盐雾腐蚀处理后，涂层表面不再光滑、平整，虽然出现了橘皮状缺陷，但该涂层并没有出现面积较大的孔洞，说明水性环氧树脂涂层并没有失效，对金属仍具有一定保护作用。这说明利用该方法制备的环氧树脂涂层具有 比较理想的耐盐雾性。

图3 乳液粒径分布Fig.3 Particle size distribution of emulsion注： D为粒径。

图4 涂层的耐盐雾实验结果Fig. 4 Salt spray test results of coating

图5 涂层耐盐雾实验前后的扫描电子显微镜照片Fig. 5 Scanning electron microscope photos of coating before and after salt spray test

根据电化学极化曲线可以计算试样的腐蚀电流和腐蚀电位。通常情况下，腐蚀电位越大，腐蚀电流越小，涂层的防腐性能越好。从图6可以看出：当涂层的腐蚀电位为-1.065 V时，腐蚀电流的数量级为-8.5，表明涂层具有非常好的防腐性能。

3 结论

a）水性环氧树脂乳液具有比较理想的稀释稳定性以及水溶性，乳液粒径集中在0.25～0.39 μm。

b）涂层取得了较好的测试效果，具有比较理想的耐盐雾性和较好的防腐性能。

图6 电化学极化曲线Fig.6 Electrochemical polarization curve