水性环氧乳液制备的影响因素

第４８卷第１１期　２０１０年１１月　上海涂料　ＳＨＡＮＧＨＡＩ　ＣＯＡＴＩＮＣＳ　Ｖｏ１．４８　ＮＯ．１１　ＮＯＶ．２０１０　

水性环氧乳液制备的影响因素　

古绪鹏吴礼龙杨建国乔红斌　（安徽工业大学化学与化工学院，安徽马鞍山２４３００２）　

摘　要：采用相反转法制备了水性环氧乳液，考察了乳化剂用量、乳化温度、乳化时间、共溶剂　

用量对乳液性能的影响，并利用纳米粒度分析仪对水性环氧乳液粒径进行了表征。实验结果表明：当　

乳化剂用量１０％，乳化温度６５℃，乳化时间１．２５　ｈ，共溶剂用量４％时，乳液的综合性能良好，乳液平　

均粒径７７０　ｎｍ，涂膜硬度３Ｈ，附着力１级。　

关键词：水性环氧乳液；相反转；粒径；稳定性　

中图分类号：ＴＯ　６３０．６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—１６９６（２０１０）１　１－０００１—０４　

０引言　

环氧树脂以其优异的物理化学性能，被广泛应　

用于涂料、胶黏剂以及复合材料等领域。随着人们生　

活水平的提高和环保意识的增强，低ＶＯＣ涂料越来　

越受到消费者的青睐，因此，水性环氧树脂涂料成为　

研究的热点。而水性环氧乳液的制备是实现环氧涂　

料水性化的关键，利用不同乳化剂以相反转技术制　

备环氧乳液的研究报道较多，但研究方法和内容各　

有不同，如陈永等人采用端甲氧基聚乙二醇一马来酸　

酐一Ｅ一４４多元共聚物作为乳化剂制备水性环氧乳液；　

古绪鹏等人采用环氧树脂聚乙二醇制备高分子嵌段　

反应型乳化剂。　

本文根据相似相容原理，利用与环氧树脂Ｅ一５１　

结构相似的星型嵌段共聚物为乳化剂，采用相反转　

技术制备水性环氧乳液，并对影响乳液稳定性和涂　

膜性能的因素进行了讨论，为制备性能优良的水性　

环氧涂料及其应用提供可靠的依据。　

１实验部分　

１．１原材料　双酚Ａ型环氧树脂Ｅ一５１：工业级，蓝星新材料　

［收稿日期】２０１０—１０—１４　［作者简介］古绪鹏，教授，研究方向：水性环氧树脂合成及应用。　无锡树脂厂；丙二醇甲醚：化学纯，国药集团化学试　

剂有限公司；三氟化硼乙醚络合物：实验室自制复　

配体系；乳化剂：实验室自制；固化剂：实验室自制；　

去离子水。　

１．２实验仪器　ＤＮＪ一１黏度计：上海天平仪器厂；８００型离心机：　

上海手术器械厂；ＨＨ一２型数显恒温水浴锅：国华电　

器有限公司；ＱＦＺ漆膜附着力试验仪：天津材料试　

验机厂；Ｚｅｔａｓｉｚｅｒ　Ｎａｎｏ　ＺＳ９０纳米粒度分析仪：英国　

马尔文仪器有限公司。　

１．３乳化剂的制备　

按照文献［８］方法，控制物料，ｚ（ＴＭＰＧＥ）：，ｚ　

（ＰＥＧ４０００）：　（Ｅ一５１）＝１：３：４，在５０～６０　条件　

下使原料溶化，搅拌均匀，滴加三氟化硼乙醚络合　

物，在７５～８５ｃｌＣ条件下反应３　５　ｈ，加入计量的去离子　

水，制得固含量为５０％的水性环氧乳化剂。　

１．４水性环氧乳液的制备　

在三口烧瓶中加入计量的环氧树脂Ｅ一５１和乳化　

剂，在乳化温度４５～８５℃，搅拌速度３　０００　ｒ／ｍｉｎ的条　

件下乳化一定时间，缓慢滴加去离子水，制得水性环　

氧乳液。　

１．５水性环氧清漆的配制　

将环氧乳液与固化剂混合均匀，加入适量的去离　２　上海涂料　第４８卷　

子水，将混合物调至一定固含量，即制得水性环氧清　

漆，在室温下熟化一定时间后即可涂装。　

１．６水性环氧乳液性能测定　

离心稳定性测定：将一定量的乳液装人离心机　

配套试管中，以３　０００　ｒ／ｒａｉｎ的速度离心分离３０　ｒａｉｎ，　

观察乳液是否分层，破乳。　

稀释稳定性的测定：按照ＧＢ／Ｔ　１　１　１７５—２００２进　

行测定，用去离子水将试样稀释至不挥发物的质量分　

数为（３　４－０．５）％，用１００ｍＬ量简量取１００ｍＬ该稀释液，　

用铝箔盖上后静置７２　ｈ，测定其上层澄清液体积与底　

部沉降物体积。　

固化膜硬度的测定：按照ＧＢ／Ｔ　６７３９－－２００６进行　

测定。　固化膜附着力的测定：按照ＧＢ　１７２０—７９（８９）　

进行测定。　

２结果与讨论　

采用相反转技术制备水性环氧树脂乳液的影响　

因素较多，如乳化剂用量、乳化温度、乳化时间以及　

共溶剂用量等。本文以环氧树脂Ｅ一５１制备水性环氧　

乳液，讨论了乳化剂用量、乳化时间等对环氧乳液及　

涂膜性能的影响。　

２．１乳化剂用量对乳液粒度分布的影响　

采用相反转法在乳化温度６５℃，乳化时间１．２５　ｈ　

条件下，制得不同乳化剂含量的环氧Ｅ一５１乳液，考　

察乳化剂用量（占环氧乳液的质量分数）对环氧乳液　

粒度分布的影响，结果如图１所示。　

粒径／ｎｍ　１—１４％；２—１２％；３—１０％；４—８％；５—６％　图１乳化剂用量对环氧乳液粒度分布的影响　Ｆｉｇｕｒｅ　１　Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｅｍｕｌｓｉｆｉｅｒ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｓｉｚｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｐｏｘｙ　ｅｍｕｌｓｉｏｎ　由图１可见：随着乳化剂用量的增加，乳液的粒　

径变小；当乳化剂用量大于ｌ０％时，环氧乳液粒径　

变化不大。此现象可由相反转机理解释：随着乳化　

剂用量的增加，在制备环氧乳液过程中，当缓慢滴加　

去离子水时，有足够多的乳化剂分子及时扩散到新　

形成的水滴表面将水滴包覆，从而形成具有一定表　

面张力的界面膜，能够保证水滴有恒定的尺寸，此时　

水滴间排斥力大于吸引力。随着水量进一步增加，水　

滴表面张力降低，分散在环氧树脂中的水滴，由分散　

相Ｗ／Ｏ型（油包水型）变为连续相Ｏ／Ｗ型（水包油型），　

发生完全相反转，制得的环氧乳液粒径相对较小。　

２．２乳化剂用量对乳液黏度和稀释稳定性的影响　

采用不同乳化剂用量，考察环氧乳液黏度和稀释　

稳定性变化，结果见图２。　

皇　＝　

蕊　

乳化利用量／％　１一黏度；２Ｅ稀释稳定性　

图２乳化剂用量对乳液黏度和稀释稳定・Ｉ生的影响　Ｆｉｇｕｒｅ　２　Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｅｍｕｌｓｉｆｉｅｒ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ　ａｎｄ　ｄｉｌｕｔｉｏｎ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｅｐｏｘｙ　ｅｍｕｌｓｉｏｎ　

由图２可见：随着乳化剂用量的增加，环氧乳　

液的黏度增大，稀释稳定性变好。乳化剂用量对乳液　

黏度和稀释稳定性的影响可能与临界胶束浓度有关。　

当乳化剂的用量低于临界胶束浓度时，乳液黏度随　

乳化剂用量的增加而迅速增加，乳液的稀释稳定性　

也随之变好；当乳化剂的用量高于临界胶束浓度时，　

环氧乳液体系已经发生完全相反转，多余的乳化剂　

分子不能对乳化的环氧树脂微粒再乳化，乳液黏度　

和稀释稳定性的变化不大。　

２．３乳化温度对乳液稳定性及涂膜性能的影响　

在乳化剂用量１０％，乳化时间１．２５　ｈ的条件下，　

按照１．４方法制备水性环氧乳液，采用１．５的方法制　

备水性环氧清漆，考察乳化温度对环氧乳液稳定性　

和涂膜性能的影响，结果见表１。　一　ｖ　

韶枯挺　第１１期　古绪鹏，等：水性环氧乳液制备的影响囚素　３　

表１乳化温度对乳液稳定性及涂膜性能的影响　Ｔａｂｌｅ　１　Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｅｍｕｌｓｉｆｙｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｆｉｌｍ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｅｐｏｘｙ　ｅｍｕｌｓｉｏｎ　乳化温触（乳液稳　）石更度Ｈｏｃ　３　０００　ｒ　ｍｉｎ　涂膜表观　（　・　一．）　级　

由表１可见：随乳化温度的升高，乳液的离心稳　

定性、硬度、附着力逐渐变好；当乳化温度为６５℃时，　

乳液的综合性能较好。其原因可能是，随着乳化温度　

的升高，环氧树脂的黏度逐渐降低，有利于乳化剂充　

分乳化环氧树脂，乳化效果好，乳液的稳定性提高。　

当温度进一步升高，分散相粒子获得的动能增加，热　

运动加剧，在乳化过程中乳液粒子相互碰撞、聚结的　

几率增大，同时温度的上升使得乳液粒子的界面膜　

强度降低，导致粒子碰撞后更易于聚结而融合为大　

粒子，最终引起体系的稳定性有所下降，乳液粒径变　

大，涂膜性能有所下降。　

２．４乳化时间对乳液及涂膜性能的影响　

在乳化剂用量为１０％，乳化温度为６５℃时，考　

察乳化时间对乳液稳定性和涂膜性能的影响，结果　

如表２所示。　

表２乳化时间对乳液稳定性及涂膜性能的影响　Ｔａｂｌｅ　２　Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｅｍｕｌｓｉｆｙｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｆｉｈｎ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｅｐｏｘｙ　ｅｍｕｌｓｉｏｎ　乳化　乳液稳定性／　硬度／附着力／　时间／ｈ（３　０００　ｒ・ｍｉｎ。）Ｈ　级　乳化时间为１．２５　ｈ时，乳液和涂膜综合性能良好。乳　

化时间较短时，分散相未被充分分散，导致乳液性能　

及涂膜性能不好。乳化时间达到１．２５　ｈ时，分散相已　

被充分分散，再延长乳化时间ＸＣｇＬ化效果影响不大，　

能耗增加，不仅降低了生产效率，而且造成资源和能　

源的浪费。由此确定最佳的乳化时间为１．２５　ｈ。　

２．５共溶剂对乳液粒度分布的影响　

在乳化剂用量为１０％，乳化温度为６５　，乳化时　

间为１．２５　ｈ的条件下，改变共溶剂的用量，考察共溶　

剂用量对乳液粒度分布的影响，结果见图３。　

１一Ｏ：２—２％：３　４％　

图３共溶剂用量对乳液粒度分布的影响　

Ｆｉｇｕｒｅ　３　Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｃｏｓｏｌｖｅｎｔ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｓｉｚｅ　

ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｐｏｘｙ　ｅｍｕｌｓｉ０ｎ　

由图３可见：随着共溶剂（丙二醇甲醚）用量的　

增加，乳液粒径变小，粒度分布变窄。可能由于丙二　

醇甲醚能够与环氧树脂互溶，在乳化剂乳化环氧树脂　

时，可以降低体系的黏度，使乳化过程更加充分，环　

氧乳液中环氧树脂微粒粒径更小，分布更加均匀。当　

共溶剂用量为４％时，环氧乳液平均粒径为７７０　ｎｍ，　

分散指数（ＰＤＩ值）为０．１２１。　

涂膜表观　３结语　

由表２可见：随着乳化时间的延长，乳液的离心　

稳定性，以及涂膜的硬度、附着力和表观都变好；当　采用实验室制备的水性环氧乳化剂乳化环氧树　

脂Ｅ一５１，实验证明：在乳化剂用量为１０％，乳化温　

度为６５　ｏＣ，乳化时间为１．２５　ｈ，共溶剂用量为４％的　

条件下，制备的环氧乳液平均粒径达到７７０　ｎｍ，涂膜　

硬度３　Ｈ，附着力１级，综合性能良好，具有较强的实　

用性和应用推广前景。　

（参考文献８篇从略）