張長(zhǎng)林， 張丹， 張勇強(qiáng)， 李彪， 陳謙， 王朝輝

(1.河南省交通運(yùn)輸廳公路管理局， 河南 鄭州 450000； 2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安 710064； 3.河南官渡黃河大橋開(kāi)發(fā)有限公司， 河南 鄭州 451450)

1 前言

環(huán)氧樹(shù)脂作為一類熱固性樹(shù)脂，制備工藝成熟，且具有機(jī)械強(qiáng)度高、膠黏性好以及電絕緣性等優(yōu)點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)被廣泛應(yīng)用于化工涂料、土木建筑等領(lǐng)域[1-2]。經(jīng)過(guò)多年的研究和開(kāi)發(fā)，水性環(huán)氧樹(shù)脂已經(jīng)在附著力、硬度和抗腐蝕性等多個(gè)方面都具有了與溶劑型環(huán)氧樹(shù)脂相當(dāng)?shù)男阅躘3-4]，并且水性環(huán)氧樹(shù)脂具有低VOC-和使用便捷的特點(diǎn)[5-7]，然而水性環(huán)氧樹(shù)脂與環(huán)氧樹(shù)脂相同，存在脆性大、韌性低、耐沖擊性差等缺點(diǎn)，又限制了它的廣泛應(yīng)用[18]。因此，對(duì)水性環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行增韌改性和提高其耐老化性能成為一個(gè)重要而緊迫的課題。很多增韌改性方法提高了水性環(huán)氧樹(shù)脂的韌性，但是顯著降低了其強(qiáng)度、模量和耐熱性能。這也成為水性環(huán)氧樹(shù)脂增韌改性研究中最突出的問(wèn)題[9]。

聚氨酯(PU)具有高彈性的特點(diǎn)，且與水性環(huán)氧樹(shù)脂具有較好相溶性，用聚氨酯改性水性環(huán)氧樹(shù)脂后，得到的改性材料兼具水性環(huán)氧樹(shù)脂的耐熱性能、力學(xué)性能和聚氨酯的柔韌性[10]。但是目前中國(guó)對(duì)于水性環(huán)氧樹(shù)脂改性聚氨酯的研究較多，而對(duì)于水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂的研究較少，僅有的一點(diǎn)研究也是針對(duì)聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂。謝海安等通過(guò)聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂的研究，發(fā)現(xiàn)聚氨酯橡膠彈性體對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂韌性的提高具有較大的貢獻(xiàn)[11]；張?jiān)破降壤镁郯滨ジ男粤谁h(huán)氧樹(shù)脂上膠劑乳液，結(jié)果表明：改性后的材料層間黏結(jié)強(qiáng)度是改性前的1.2倍[12]；張萌等研究了聚氨酯對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的增韌性能，結(jié)果表明改性前環(huán)氧樹(shù)脂為脆性斷裂,聚氨酯改性后的環(huán)氧樹(shù)脂斷裂時(shí)裂紋明顯增多，為韌性斷裂[13]。綜上，添加聚氨酯對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行改性后，環(huán)氧樹(shù)脂的使用性能確實(shí)有了很大程度的提升，然而，環(huán)氧樹(shù)脂在制造與施工過(guò)程中會(huì)有大量揮發(fā)性有機(jī)物VOC-外泄，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染[14]，世界各國(guó)都在制定政策，規(guī)定和限制VOC-的排放[15]，而水性環(huán)氧樹(shù)脂最大的特點(diǎn)就是VOC-含量低，符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[16]。

基于此，優(yōu)選NCO-含量分別為2.0%、4.0%和5.0%的丙烷型端羥基聚醚聚氨酯(TDI-PPG)對(duì)E-51和E-44型環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行復(fù)合改性，制備不同NCO-含量的水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂，系統(tǒng)研究聚氨酯對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂力學(xué)性能及黏結(jié)性能的優(yōu)化效果。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂制備選用E-51、E-44兩種環(huán)氧樹(shù)脂，固化劑選用改性脂肪胺(ZF)，改性劑選用NCO-含量分別為2.0%、4.0%和5.0%的環(huán)氧丙烷型端羥基聚醚型聚氨酯(TDI-PPG)。此外，水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂制備過(guò)程中還需加入一定量的消泡流平劑減少氣泡。原材料具體技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1～3。

表1 環(huán)氧樹(shù)脂主要技術(shù)指標(biāo)

表2 聚氨酯主要技術(shù)指標(biāo)

表3 固化劑主要技術(shù)指標(biāo)

2.2 制備方法

采用固化劑乳化法制備水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂，所制備的水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂乳液含量為50%。具體步驟如下：將一定量環(huán)氧樹(shù)脂和適量消泡劑加入燒杯中，將其置于油浴鍋中恒溫至75 ℃，采用攪拌器將消泡劑與環(huán)氧樹(shù)脂混合均勻；按照一定比例慢速加入聚氨酯預(yù)聚體，反應(yīng)溫度控制為(75±2) ℃，反應(yīng)2 h得聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂；將聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂、水、固化劑、燒杯、玻璃棒和模具等恒溫至40 ℃，然后，向燒杯中先后加入一定質(zhì)量固化劑、聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂以及消泡流平劑，低速攪拌混合均勻(200～300 r/min，約30 s)；向燒杯中繼續(xù)加入一定量的水(調(diào)整水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂乳液固含量為50%)，高速攪拌均勻，然后采用玻璃棒手動(dòng)慢速攪拌30 s，即制得水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂。

2.3 試驗(yàn)方法

參考現(xiàn)有環(huán)氧樹(shù)脂相關(guān)規(guī)范，樹(shù)脂類黏結(jié)材料強(qiáng)度、柔韌性和抗變形能力的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和彎曲變形。拉伸強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度可表征水性環(huán)氧樹(shù)脂的強(qiáng)度，斷裂伸長(zhǎng)率與彎曲變形等可體現(xiàn)聚氨酯的增韌效果和抗變形能力。因此，采用拉伸、彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂的性能優(yōu)化效果，采用拉拔試驗(yàn)評(píng)價(jià)水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂的黏結(jié)性能。

根據(jù)GB/T 2567—2008《樹(shù)脂澆注體性能試驗(yàn)方法》，對(duì)水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂的拉伸性能及彎曲性能進(jìn)行測(cè)試。首先制備水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂拉伸試件(啞鈴形)和彎曲試件(80 mm×15 mm×4 mm)，40 ℃養(yǎng)生約2 h后，將試件取出，常溫養(yǎng)生固定一定時(shí)間后，進(jìn)行試件棱角打磨，并采用萬(wàn)能材料測(cè)試機(jī)測(cè)試水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物常溫養(yǎng)生3 d(初期強(qiáng)度)、7 d(相關(guān)研究表明環(huán)氧樹(shù)脂7 d后固化基本完成，各項(xiàng)性能基本保持穩(wěn)定)和15 d的拉伸性能和彎曲性能，測(cè)試速度均為10 mm/min。確定不同類型聚氨酯各摻量下對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂性能優(yōu)化效果的同時(shí)，研究其固化及拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度變化規(guī)律。

根據(jù)JT/T 535—2015《路橋用水性瀝青基防水涂料》，采用拉拔強(qiáng)度指標(biāo)評(píng)價(jià)不同水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂的黏結(jié)性能。制備強(qiáng)度等級(jí)C30以上的水泥混凝土試件，厚度為(50±5) mm，長(zhǎng)寬均為300 mm，養(yǎng)護(hù)達(dá)到強(qiáng)度后備用，試件表面應(yīng)清潔、干燥、無(wú)浮漿，采用小型噴砂機(jī)或鋼絲刷處理使表面達(dá)到一定的粗糙度，然后在試件上按照1 kg/m2的灑布量進(jìn)行樹(shù)脂乳液灑布，灑布后常溫養(yǎng)生3 d，然后采用拉拔試驗(yàn)儀測(cè)試?yán)螐?qiáng)度。

3 水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂拉伸性能

采用拉伸試驗(yàn)分別測(cè)試NCO-含量為2.0%、4.0%和5.0%的TDI-PPG聚氨酯A、B和C制備的水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物的拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，測(cè)試結(jié)果如圖1、2所示。

由圖1、2可知：

圖1 不同NCO-含量下E-51固化物拉伸性能(A：NCO-含量2.0%,B:NCO-含量4.0%，C：NCO-含量5.0%,下同)

圖2 不同NCO-含量下E-44固化物拉伸性能

(1) 隨著固化時(shí)間的增長(zhǎng)，各類水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物拉伸強(qiáng)度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，斷裂伸長(zhǎng)率總體呈減少趨勢(shì)，3 d和7 d的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率差別較大，拉伸強(qiáng)度增長(zhǎng)2～6 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率增長(zhǎng)4%～8%，7 d和15 d的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率僅存在較小差異，表明7 d后水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物的強(qiáng)度基本形成。

(2) 各固化時(shí)間和聚氨酯摻量下，隨著所摻加聚氨酯內(nèi)NCO-含量的增加，水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，NCO-含量為4.0%的聚氨酯B改性的固化物與NCO-含量為2.0%的聚氨酯A改性的相比，以及NCO-含量為5.0%的聚氨酯C改性后的固化物與NCO-含量為4.0%的聚氨酯B改性的相比，拉伸強(qiáng)度增長(zhǎng)0.5～3 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率增長(zhǎng)2%～6%，NCO-含量越高的聚氨酯與環(huán)氧樹(shù)脂形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越多，固化物的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均提高。

(3) 在各NCO-含量下，隨聚氨酯摻量的增加，各類水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物的拉伸強(qiáng)度均減少，斷裂伸長(zhǎng)率總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，與未摻加聚氨酯制備的E-51水性環(huán)氧樹(shù)脂固化物15 d拉伸強(qiáng)度28.03 MPa和斷裂伸長(zhǎng)率12.35%相比，摻加20%的聚氨酯C制備的水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物15 d拉伸強(qiáng)度減少33.9%，斷裂伸長(zhǎng)率增長(zhǎng)61.9%，隨著聚氨酯摻量的增長(zhǎng)，強(qiáng)度逐漸降低，斷裂伸長(zhǎng)率增長(zhǎng)緩慢；與未摻加聚氨酯制備的E-44水性環(huán)氧樹(shù)脂固化物15 d拉伸強(qiáng)度28.96 MPa和斷裂伸長(zhǎng)率6.93%相比，摻加20%的聚氨酯C制備的水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物15 d拉伸強(qiáng)度減少26.5%，斷裂伸長(zhǎng)率增長(zhǎng)187.4%；摻加聚氨酯對(duì)E-44水性環(huán)氧固化物的拉伸性能改善效果明顯優(yōu)于E-51，同樣，隨著聚氨酯摻量的增加，水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物強(qiáng)度逐漸降低，斷裂伸長(zhǎng)率增長(zhǎng)緩慢。

4 水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂彎曲性能

采用彎曲試驗(yàn)分別測(cè)試NCO-含量為2.0%、4.0%和5.0%的TDI-PPG聚氨酯A、B和C制備的水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物的彎曲模量、彎曲強(qiáng)度以及彎曲變形，測(cè)試結(jié)果如圖3～6所示。

圖3 不同NCO-含量下E-51固化物彎曲性能

圖4 不同NCO-含量下E-44固化物彎曲性能

圖5 不同NCO-含量下E-51固化物彎曲變形

圖6 不同NCO-含量下E-44固化物彎曲變形

由圖3、6可知：

(1) 隨著固化時(shí)間的增長(zhǎng)，各類水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物彎曲強(qiáng)度和彎曲模量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，3～7 d固化速率較快，彎曲強(qiáng)度和彎曲模量差別較大，彎曲強(qiáng)度增長(zhǎng)80%～120%，彎曲模量增長(zhǎng)30%～75%，7 d后水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂固化速率減低，7～15 d的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量?jī)H存在微小增長(zhǎng)。

(2) 各固化時(shí)間和聚氨酯摻量下，隨著聚氨酯NCO-含量的增加，水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物的彎曲強(qiáng)度總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)、彎曲模量總體呈減小趨勢(shì)，50%聚氨酯C改性E-51后的固化物以及35%、50%聚氨酯C改性E-44后的固化物后期彎曲強(qiáng)度略低于對(duì)應(yīng)聚氨酯B改性的固化物，因?yàn)殡S著聚氨酯摻量的增加，固化物表現(xiàn)出聚氨酯本身的性能，使其強(qiáng)度減??；聚氨酯摻量為20%的情況下，聚氨酯B改性后的固化物與聚氨酯A改性后的固化物相比，E-51和E-44的15 d彎曲強(qiáng)度分別提高4.8%和39%，彎曲模量分別降低14.5%和17.8%，以及聚氨酯C改性后的固化物與聚氨酯B改性后的固化物相比，E-51和E-44的15 d彎曲強(qiáng)度分別提高10.6%和25.2%，彎曲模量分別提高7.3%和32.8%。

(3) 隨著聚氨酯摻量的增加，除聚氨酯A改性E-44的固化物外，各類水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物的彎曲模量均呈減少趨勢(shì)，與未摻加聚氨酯制備的E-51水性環(huán)氧樹(shù)脂固化物15 d彎曲強(qiáng)度84.5 MPa和彎曲模量1 726 MPa相比，摻加20%的聚氨酯C制備的E-51水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物15 d彎曲強(qiáng)度減少32%，彎曲模量減少39.9%，隨著聚氨酯摻量的增長(zhǎng)，強(qiáng)度降幅較大，彎曲模量逐漸減??；與未摻加聚氨酯制備的E-44水性環(huán)氧樹(shù)脂固化物15 d彎曲強(qiáng)度55.5 MPa和彎曲模量2 253.3 MPa相比，摻加20%的聚氨酯C制備的E-44水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物15 d彎曲強(qiáng)度增加20.7%，彎曲模量減少53.1%，彎曲強(qiáng)度和彎曲模量變化趨勢(shì)同E-51。

由圖5、6可知：聚氨酯A改性E-44后的固化物，聚氨酯摻量由20%增加到35%時(shí)，彎曲強(qiáng)度增加，試件由脆性斷裂變?yōu)轫g性變形。除由E-44和20%摻量的聚氨酯A制備的水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物彎曲試件15 d彎曲測(cè)試出現(xiàn)彎曲斷裂外，其他各種水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物隨著環(huán)氧樹(shù)脂不斷固化，強(qiáng)度逐漸形成的同時(shí)表現(xiàn)出良好的變形能力，試件彎曲180°不斷裂且不出現(xiàn)應(yīng)力衰減，表現(xiàn)出良好的韌性。當(dāng)聚氨酯摻量超過(guò)20%，繼續(xù)增加其摻量，各類水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物彎曲強(qiáng)度及彎曲變形能力均降低，因此建議聚氨酯摻量不宜超過(guò)20%。

5 水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)性能

分別測(cè)試NCO-含量為2.0%、4.0%和5.0%的TDI-PPG聚氨酯A、B和C制備的水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物的拉拔強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同NCO-含量水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物拉拔強(qiáng)度

由圖7可知：同一NCO-含量的聚氨酯制備的E-51和E-44型水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物，隨著聚氨酯含量的增加，其拉拔強(qiáng)度均逐漸降低，摻加聚氨酯改性E-51后制備的水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物的拉拔強(qiáng)度均低于未改性的E-51水性環(huán)氧固化物的拉拔強(qiáng)度，摻加聚氨酯改性E-44后制備的水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物的拉拔強(qiáng)度除C摻量為20%的強(qiáng)度外，均低于未改性的強(qiáng)度。高聚氨酯摻量下，增加聚氨酯含量，水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物拉拔強(qiáng)度降低，因此建議聚氨酯摻量不宜超過(guò)20%。

同一聚氨酯摻量制備的E-51和E-44型水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物，隨著NCO-含量的增加，拉拔強(qiáng)度逐漸增加；同一聚氨酯摻量下，E-44型水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物的拉拔強(qiáng)度比E-51型的拉拔強(qiáng)度高0.1～0.3 MPa。NCO-含量為5.0%時(shí)制備的水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂固化物的拉拔強(qiáng)度比NCO-含量為2.0%的提高0.3～0.5 MPa，因?yàn)閷⒕郯滨ビ糜诃h(huán)氧樹(shù)脂性能優(yōu)化，聚氨酯與環(huán)氧樹(shù)脂能夠形成良好的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，NCO-含量越高，與環(huán)氧樹(shù)脂接枝率更高，交聯(lián)程度越大，黏結(jié)性能更好。因此建議采用高NCO-含量的聚氨酯對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行改性。

6 結(jié)語(yǔ)

水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂強(qiáng)度7 d后基本形成，但7～15 d的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量仍存在微小增長(zhǎng)，建議采用15 d強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。高NCO-含量的聚氨酯制得的水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂具有更高的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率，彎曲性能，表現(xiàn)出良好的抗變形能力和黏結(jié)性能。因此，建議采用高NCO-含量的聚氨酯對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行改性。聚氨酯摻量不宜過(guò)高，當(dāng)聚氨酯摻量超過(guò)20%后，水性聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂強(qiáng)度逐漸降低、斷裂伸長(zhǎng)率增長(zhǎng)緩慢、彎曲強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度也持續(xù)降低，建議聚氨酯摻量不宜超過(guò)20%。