水性環(huán)氧樹脂的改性研究與應(yīng)用

摘 要：本研究采用環(huán)氧樹脂（E-51）、二乙醇胺等材料制備水性環(huán)氧樹脂乳液，使用有機(jī)納米蒙脫土對水性環(huán)氧樹脂乳液進(jìn)行改性。將有機(jī)納米蒙脫土按比例加入環(huán)氧樹脂中，與固化劑按照1∶1的比例合成再生復(fù)合龍骨黏結(jié)劑。結(jié)果表明，當(dāng)納米蒙脫土摻量為7%、合成溫度為55℃時(shí)，再生復(fù)合龍骨黏結(jié)劑的各項(xiàng)性能達(dá)到最優(yōu)值，并且滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，可以應(yīng)用到實(shí)際的建筑工程中。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹脂；有機(jī)納米蒙脫土；再生復(fù)合龍骨黏結(jié)劑

中圖分類號：TQ 32" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，建筑材料的需求也在日益增加。目前國內(nèi)的建筑工程中，傳統(tǒng)木方使用率達(dá)到70%，傳統(tǒng)木方采自大自然，對環(huán)境造成了不小的損害。再生復(fù)合龍骨是對傳統(tǒng)廢棄模板進(jìn)行再次加工，通過高溫?cái)D壓、熱固成型等工藝制成，可根據(jù)需求設(shè)計(jì)其尺寸，在綠色低碳、環(huán)保等方面具有很大的潛力。

環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑是一種具備高黏接性、高耐久性的常用于木材中的一種黏結(jié)劑[1]。一般情況下，環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑要摻入親水基團(tuán)或固化劑，這種方式影響了環(huán)氧樹脂的耐水性和粘接強(qiáng)度，因此，為提高環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑的性能，很多人將納米管、石墨烯等材料加到環(huán)氧樹脂中，從而提高黏結(jié)性能[2]。由于石墨烯和納米管等材料的成本高，使黏結(jié)劑的成本大幅度提升[3]，因此研制一種高性能低成本的環(huán)氧樹脂是當(dāng)下的研究重點(diǎn)。

納米蒙脫土是一種可用來做改性聚合物的納米材料，價(jià)格比石墨烯、納米管低[4]。本研究采用有機(jī)納米蒙脫土對環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性，不但降低了再生復(fù)合龍骨黏結(jié)劑的成本，而且提高了水性環(huán)氧樹脂再生復(fù)合龍骨黏結(jié)劑的各項(xiàng)性能。

1 試驗(yàn)分析

1.1 試驗(yàn)原材料

丙二醇甲醚，化學(xué)純；納米蒙脫土，化學(xué)純；二乙醇胺，化學(xué)純；環(huán)氧樹脂（E-51），化學(xué)純；溴代乙烷，化學(xué)純；醋酸，化學(xué)純；二乙烯三胺，化學(xué)純。

1.2 主要儀器

CMT-50電子萬能試驗(yàn)機(jī)；分散性均勻性儀器（穩(wěn)定性分析儀）；NDJ型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)；電子天平FA2104；MSH-R-03P型數(shù)顯加熱型磁力攪拌器。

1.3 試驗(yàn)制備

1.3.1 制備固化劑

在容器中加入適量環(huán)氧樹脂（E-51）和適量的水，調(diào)節(jié)溫度為50℃左右，將二乙烯三胺勻速倒入容器使其與環(huán)氧樹脂混合，將丁基縮水甘油醚加入混合溶液，提高反應(yīng)溫度為70℃左右，繼續(xù)攪拌一定時(shí)間，最后加入適量的醋酸即制成固化劑。

1.3.2 乳化劑制備

首先，在三口燒瓶中放入溫度計(jì)和冷凝管，加入適量的環(huán)氧樹脂（E-51），將三口燒瓶放入數(shù)顯型加熱型磁力攪拌器中升溫至75℃，其次，加入二乙醇胺，完全反應(yīng)后加入溴代乙烷，將其蒸發(fā)處理，采用醋酸調(diào)節(jié)溶液pH，最后，制成環(huán)氧樹脂乳化劑。

1.3.3 環(huán)氧樹脂乳液制備

將環(huán)氧樹脂（E-51）與上述乳化劑混合并向其中勻速加入適量的水，提高攪拌器的轉(zhuǎn)速使其反應(yīng)充分，再次加入適量的水，將制成的乳液固含量稀釋到50%左右。

1.3.4 水性環(huán)氧樹脂包覆蒙脫土

在配備攪拌器的容器中加入適量的環(huán)氧樹脂（E-51）和適量的有機(jī)納米蒙脫土，保持相對低速攪拌一定的時(shí)間，使其反應(yīng)完全，攪拌完成后，向容器中加入上述乳化劑，并提高攪拌器的轉(zhuǎn)速攪拌一定時(shí)間，保證環(huán)氧樹脂可以充分包覆住有機(jī)納米蒙脫土。向容器中加入適量的水稀釋乳液，將固含量稀釋為50%左右。制成4組混合有機(jī)納米蒙脫土的環(huán)氧樹脂乳液樣品，其中，有機(jī)納米蒙脫土含量分別為1%、4%、7%和10%，將其命名為1號（1#）、2號（2#）、3號（3#）和4號（4#）樣本。

1.3.5 再生復(fù)合龍骨黏結(jié)劑制備

在容器中混合上述固化劑和上述混合有機(jī)納米蒙脫土的環(huán)氧樹脂乳液，兩種原材料摻量相同即制得再生復(fù)合龍骨黏結(jié)劑。

1.4 測試與表征

存放穩(wěn)定性及外形狀態(tài)：目測方式觀察樣本的顏色、外觀狀態(tài)等物理性能。

耐水性：耐水性測試采用常規(guī)浸泡法。將樣品放置在常溫條件中1d，使用加熱設(shè)備在80℃左右的溫度下加熱，并反復(fù)稱量至質(zhì)量不再變化（x1），將已干燥的樣品放置在常溫的水中浸泡2d，浸泡后拿出擦干表面的水稱重，此時(shí)的質(zhì)量為x2。表觀吸水率（X）的計(jì)算過程如公式（1）所示。

X=（x₂-x₁）/x₁" （1）

透明性：使用小刷子將制成的再生復(fù)合龍骨黏結(jié)劑刷在小塊玻璃上，觀察不同蒙脫土摻量的樣品透明性能。

Zeta電位：采用穩(wěn)定性分析儀對改性環(huán)氧樹脂進(jìn)行Zeta電位測試。

黏度：按照GB/T 2794—2013標(biāo)準(zhǔn)，采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)對樣本進(jìn)行測試。

壓縮剪切強(qiáng)度：參考HG/T 2727—2010標(biāo)準(zhǔn)制備樣品，使用CMT-50試驗(yàn)機(jī)檢測。

力學(xué)性能測試：將制成的黏結(jié)劑應(yīng)用在再生復(fù)合龍骨并與普通的環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行對比，按照《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50329—2012）檢測其抗彎性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)氧樹脂乳液的存放穩(wěn)定性及外形狀態(tài)

改性材料有機(jī)納米蒙脫土的摻入量對乳液的內(nèi)部構(gòu)造可以起到?jīng)Q定性影響。對制得的4個(gè)樣品存放穩(wěn)定性及外形狀態(tài)進(jìn)行整理，見表1。

由表1可知，當(dāng)4#樣品有機(jī)納米蒙脫土摻入量為10%時(shí)，與其他3種樣品不同，4#樣品的狀態(tài)為凝膠狀態(tài)。其原因可能是隨著有機(jī)納米蒙脫土摻量的增加，乳液發(fā)生了超量的交聯(lián)反應(yīng)，從而降低了粘接性能[5]。綜上所述，在這些樣品中，3#樣本的存放穩(wěn)定性及外形狀態(tài)比較好。

2.2 耐水性檢測

材料的耐水性能與吸水性能成反比，因此可以用材料的吸水率來表示耐水性，本次試驗(yàn)制備的4個(gè)不同有機(jī)納米蒙脫土摻量的樣品的吸水率情況如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)4個(gè)樣品中的有機(jī)納米蒙脫土摻量增加時(shí)，再生復(fù)合龍骨黏結(jié)劑的吸水率呈現(xiàn)先減后增的趨勢。4個(gè)樣品的吸水率分別為4#＞1#＞2#＞3#，耐水性分別為3#＞2#＞1#＞4#。4個(gè)樣品中吸水率最小的是3#，吸水率為28%，得出結(jié)論：當(dāng)有機(jī)納米蒙脫土的摻量為7%時(shí)，再生復(fù)合龍骨黏結(jié)劑具備最高的耐水性能。本次試驗(yàn)中的3#、4#樣品的蒙脫土摻量相差3%，吸水率有大幅度提高，因?yàn)橛袡C(jī)納米蒙脫土材料的吸水率比環(huán)氧樹脂高很多，加到乳液中提高了4#樣品的吸水率，所以樣品整體的耐水性受到影響。

2.3 透明性檢測

根據(jù)改性環(huán)氧樹脂的透明性表征有機(jī)納米蒙脫土和環(huán)氧樹脂的適應(yīng)性。樣本的透明性越高，環(huán)氧樹脂和有機(jī)納米蒙脫土的適應(yīng)性越高，樣本內(nèi)部出現(xiàn)分離時(shí)，其適應(yīng)性較低。當(dāng)樣本中的兩相界面處形成散射時(shí)，適應(yīng)性也較低。根據(jù)制成的樣品透明性的高低，可發(fā)現(xiàn)不同樣本制成的再生復(fù)合龍骨黏結(jié)劑在使用后是否具備較好的適應(yīng)性，樣品透明性能試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表2可知，本次試驗(yàn)制備的4種不同有機(jī)納米蒙脫土摻量的樣品透明性能有較大區(qū)別，透明性能分別為3#＞2#＞1#＞4#。4#樣品的透明性能表現(xiàn)為很差，可能是因?yàn)?#樣品的有機(jī)納米蒙脫土摻量為10%，所以與環(huán)氧樹脂相互的適應(yīng)性不是很好。3#樣品的透明性表現(xiàn)為優(yōu)秀，這表明3#樣品的有機(jī)納米蒙脫土摻量為最優(yōu)透明性能的摻量，此時(shí)樣品表現(xiàn)出比較好的適應(yīng)性。

2.4 環(huán)氧樹脂再生復(fù)合龍骨黏結(jié)劑的穩(wěn)定性

Zeta電位值可以表征本次試驗(yàn)制備的4個(gè)樣品穩(wěn)定性能強(qiáng)弱。本次試驗(yàn)采用分散性均勻性儀器對4個(gè)樣品的Zeta電位值進(jìn)行檢測，Zeta電位數(shù)值如圖2所示。

由圖2可知，4個(gè)樣品的Zeta電位數(shù)值分別為-57mV，-51mV，-48mV，-42mV。隨著樣品中有機(jī)納米蒙脫土的摻量增加，Zeta電位的數(shù)值反而在不斷減少，1#樣品的穩(wěn)定性最高，4#樣品的穩(wěn)定性最低。綜上所述，3#樣本綜合了低摻量且具有較高的穩(wěn)定性，有機(jī)納米蒙脫土的摻量7%為最佳。

2.5 壓縮剪切強(qiáng)度

本次試驗(yàn)制成4個(gè)不同有機(jī)納米蒙脫土摻量的再生復(fù)合龍骨黏結(jié)劑樣品，對其壓縮剪切強(qiáng)度進(jìn)行測試，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著樣品中有機(jī)納米蒙脫土摻量的不斷增加，樣品的壓縮剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后減的趨勢。3#樣品在干燥狀態(tài)和潮濕狀態(tài)下的壓縮剪切強(qiáng)度分別為11MPa和6MPa，在4個(gè)樣品中的數(shù)值最高。綜上所述，當(dāng)3#樣品有機(jī)納米蒙脫土的摻量為7%時(shí)，改性環(huán)氧樹脂再生復(fù)合龍骨黏結(jié)劑有相對較高的壓縮剪切強(qiáng)度。

2.6 合成溫度對樣本黏度的影響

在不同的合成溫度下制備3#樣本再生復(fù)合龍骨黏結(jié)劑的黏度，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著合成溫度不斷升高，樣本的黏度呈現(xiàn)先升再降的趨勢。當(dāng)合成溫度為55℃時(shí)，樣本的黏度達(dá)到最大值（2.1Pa?s）。隨著合成溫度的升高，溶液中引發(fā)劑的分解效率隨之提高，自由基使速率提高，分子運(yùn)動(dòng)速率隨之加快[6]；當(dāng)合成溫度提高到一定程度時(shí)，一些分子隨鏈終止加快而出現(xiàn)不能接枝的情況，黏度也隨之變小[7]。為了保證改性環(huán)氧樹脂再生復(fù)合龍骨黏結(jié)劑具有較高的黏性，將合成溫度設(shè)定為55℃。

2.7 再生復(fù)合龍骨抗彎強(qiáng)度測試

取25根40mm×70mm的再生復(fù)合龍骨，再生復(fù)合龍骨由高分子纖維布包裹廢舊模板制成的內(nèi)芯構(gòu)成。分別采用3#樣本和市售的4種黏結(jié)劑應(yīng)用在再生復(fù)合龍骨上，每種取5根的平均值作為抗彎強(qiáng)度值。分別測試它們的抗彎強(qiáng)度，結(jié)果見表3。

由表3可知，將自制的3#樣本應(yīng)用在再生復(fù)合龍骨上時(shí)表現(xiàn)出的抗彎性能最高，抗彎強(qiáng)度值為35MPa，這表明自制的黏結(jié)劑比其他市售黏結(jié)劑更適用于再生復(fù)合龍骨中，自制的黏結(jié)劑的粘結(jié)強(qiáng)度比市售黏結(jié)劑性能更高，表現(xiàn)出了更高的粘結(jié)強(qiáng)度與抗彎強(qiáng)度。本次試驗(yàn)表明自制的再生復(fù)合龍骨黏結(jié)劑使高分子纖維布與內(nèi)芯之間粘結(jié)更加牢固，適應(yīng)性更好，提高了抗彎強(qiáng)度。

3 結(jié)論

本研究采用有機(jī)納米蒙脫土改性水性環(huán)氧樹脂。當(dāng)有機(jī)納米蒙脫土摻量為7%、合成溫度為55℃時(shí)，水性環(huán)氧樹脂、再生復(fù)合龍骨黏結(jié)劑的各項(xiàng)性能達(dá)到最優(yōu)值。

將自制黏結(jié)劑與市售黏結(jié)劑應(yīng)用在再生復(fù)合龍骨上測試其抗彎強(qiáng)度，結(jié)果表明，自制黏結(jié)劑使高分子纖維布與內(nèi)芯之間粘結(jié)更加牢固，與再生復(fù)合龍骨更加適配。

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