固化剂用量对水性环氧涂料性能的影响(一)

徐杰1，闵洁1，顾广新2，王振东2，孙曙元2，蒋伟洁2

    (1．东华大学，上海100255;2．复旦大学，上海200433)

    摘要:水性环氧涂料不仅具有良好的防腐性能，而且符合环保要求，可以用于工程机械涂装。由于水性环氧乳液是一个多相体系，其涂料的固化过程与溶剂型环氧涂料有所区别，特别是环氧固化剂的用量对涂膜的性能有较大影响。本文通过对不同比例的水性环氧乳液和固化剂进行研究，采用红外光谱、涂膜硬度、吸水率、耐中性盐雾试验以及电化学交流阻抗谱进行分析与表征，结果表明m(环氧乳液)∶m(固化剂)=4.5∶1时，涂料的综合性能最优。

    关键词:水性环氧涂料;固化剂;耐中性盐雾实验;电化学阻抗谱

    中图分类号:TQ630.4+93  文献标识码:A  文章编号:0253－4312(2014)07－0041－06

    溶剂型涂料和水性涂料不仅在溶剂的选择上有着本质的区别，在成膜过程及机理等方面也存在较大的差异。环氧乳液和固化剂分别是双组分环氧涂料的A、B组分，溶剂型环氧涂料为均相体系，随着溶剂的挥发，两组分逐渐发生交联作用，而水性环氧涂料为多相体系，一般环氧树脂以分散相的形式分散在水相中，水性环氧固化剂则溶解在水中，固化成膜过程包括水分的蒸发、乳液粒子的聚集、变形以及与固化剂相互作用形成三维空间网状结构，最终表现出较强的抗渗透性［1－2］。

    理论上来讲，环氧树脂的固化是一个活化氢分子与一个环氧分子作用，形成完整的三维空间结构，但是水性环氧涂料固化交联过程是以固化剂为中心，逐渐向环氧树脂微粒内部扩散，固化剂分子首先与环氧树脂分散相粒子的表面接触并发生交联固化反应，随着固化反应的进行，粒子表面的环氧树脂相对分子质量和玻璃化温度均逐渐提高，使得固化剂分子向粒子内部的扩散速度逐渐变慢，这就意味着环氧树脂分散相粒子内部进行的固化反应较其表面少，导致内部交联密度低，最终并非所有的环氧基都有机会与固化剂的活化基团作用［1，3－4］。因此，在实际应用中需要研究水性环氧乳液与固化剂的比例对涂层性能的影响，找出最佳配比。

    1·实验部分

    1.1 双组分水性环氧涂料的制备

    A组分的配方如表1所示。

表1 A组分配方

    添加去离子水及部分助剂，搅拌15min左右;添加防腐颜料及填料，搅拌30～60min;添加水性环氧乳液及部分助剂，搅拌30min左右，制得A组分。水性环氧乳液和固化剂的技术指标分别如表2、表3所示。

表2 水性环氧乳液技术指标

表3 水性固化剂技术指标

    1.2 样品制备

    环氧乳液与固化剂的比例和样品编号的对应关系如表4所示。

表4 实验样品编号

    (1)红外光谱测试样品制备:直接用环氧乳液与固化剂按照表4比例制备样品，搅拌均匀后，放置15～20min进行熟化，然后在氯化钠晶片上涂上薄薄的一层，固化完成后放在干燥器内干燥24h以上待用。

    (2)涂层性能及电化学测试样品制备:用环氧乳液与固化剂按表4比例制备样品，放置15～20min进行熟化，然后按照GB/T1727—1992《漆膜一般制备法》进行制板，放置7d后待用。

    1.3 性能测试

    (1)红外光谱测试:将制备好的样品进行红外光谱测试，红外光谱分析仪型号为:NEXUS470。

    (2)涂层性能测试:分别按照GB/T1730—2007《色漆和清漆摆杆阻尼试验》、HG/T3344—2012《漆膜吸水率测定法》、GB/T1733—1993《漆膜耐水性测定法》、GB/T1771—2007《色漆和清漆耐中性盐雾性能的测试》进行涂膜硬度、吸水率、耐水性及耐中性盐雾测试。

    (3)电化学交流阻抗谱测试:将制好的试板浸泡于3.5%的NaCl水溶液中，浸泡30min后进行第一次交流阻抗测试，之后每隔一段时间进行一次测试(浸泡初期测试时间间隔较短，随着浸泡时间的增加，测试时间间隔可适当延长)，辅助电极为铂电极，参比电极为甘汞电极，扫描频率范围为105～10－2Hz，施加在工作电极上的扰动电压为10mV，试验面积为19.6cm2［5］。

图1 电化学实验装置

    2·结果与讨论

    2.1 红外光谱分析

    4种固化膜的红外光谱如图2所示。

图2 固化膜的红外光谱

    图2分别为4种样品固化产物的红外光谱在916cm－1处为环氧特征峰［6］，此峰的强弱直接反映了固化反应进行的程度。水性环氧涂料随着固化剂用量的增加，树脂固化后的环氧红外峰逐渐减弱，水性环氧树脂固化更完全。

    根据表2和表3提供的参数进行计算，水性环氧乳液与固化剂理论上(1个活化氢分子与1个环氧分子作用)的比例为3.7∶1，但是由图2可看出，对于水性环氧乳液即使在固化剂过量的情况下，树脂固化后仍存在环氧峰，这说明并非所有的环氧树脂都能参与固化交联反应。因此对于水性环氧乳液而言，环氧树脂很难完全参与固化反应，这是由它的成膜机理决定的［7］。

未完待续