張筱逸

(福建工程學院 土木工程學院，福建 福州 350000)

環(huán)氧樹脂以其優(yōu)異的性能和環(huán)境適應(yīng)性，廣泛用作電子封裝、機械等領(lǐng)域[1-4]。此外，環(huán)氧樹脂加工成本低，易于成型，且具有良好的耐腐蝕、耐燃燒性能，在建筑材料市場也有廣泛的應(yīng)用。據(jù)相關(guān)研究報道，這是由于環(huán)氧樹脂含有活躍的環(huán)氧基和羥基官能團，使得環(huán)氧樹脂很容易與其他材料結(jié)合制備成復合材料，進一步擴大了環(huán)氧樹脂的市場前景。在一些基體材料中加入具有顯著性能優(yōu)勢的環(huán)氧樹脂基，可以得到具有一定功能特性的材料，例如耐熱環(huán)氧樹脂基復合材料[5]。根據(jù)對環(huán)氧樹脂的消費市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國環(huán)氧樹脂應(yīng)用的最大領(lǐng)域是建筑、涂料行業(yè)，約占38%，其次是電子、機械領(lǐng)域約占28%，每個領(lǐng)域發(fā)展的速度略有差異，但市場總的需求量一直呈上漲趨勢，其分布情況見圖1[6]。

圖1 環(huán)氧樹脂消費分布情況

然而，研究人員在使用過程中發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂具有較大的粘性，影響了其在使用過程中的簡易程度。其次，在環(huán)氧樹脂材料制備過程中，會使用有機溶劑進一步分散材料，從而達到好的分散效果。然而有機溶劑大多有毒，會對環(huán)境造成污染[7]。隨著近些年，國內(nèi)外對于綠色、環(huán)保的重視，使得環(huán)氧樹脂的發(fā)展受到了一定的限制。因此，基于目前的現(xiàn)狀，本文通過對國內(nèi)外環(huán)氧樹脂復合材料的研究現(xiàn)狀進行總結(jié)和分析，并著重討論了水性環(huán)氧樹脂這一綠色前沿的研究方向。通過討論，以期為以后的研究提供參考和意見。

1 環(huán)氧樹脂材料的研究

1.1 環(huán)氧樹脂材料的特性研究

環(huán)氧樹脂的環(huán)狀結(jié)構(gòu)主要是由氧和碳原子組成，具有較高的活潑性。這種獨特的結(jié)構(gòu)使得環(huán)氧樹脂的固化方式趨于多樣化。這樣的特殊結(jié)構(gòu)使環(huán)氧樹脂的固化形式趨于多樣化。通常，通過環(huán)氧基、羥基含量、軟化點等作為環(huán)氧樹脂材料性能的評價指標。其中，環(huán)氧基是最為重要的特性指標，其可以通過環(huán)氧值、環(huán)氧當量等方式表示。此外，數(shù)字化之間的相互轉(zhuǎn)換公式如下：

而羥基分子含量越大，其便能與其他樹脂材料發(fā)生交聯(lián)固化反應(yīng)，所以環(huán)氧樹脂的羥基含量會顯著影響環(huán)氧樹脂材料的性能。通常研究中采用羥基當量、羥基值來表示環(huán)氧樹脂材料中的羥基含量。而軟化點指的是環(huán)氧樹脂材料在使用過程中呈現(xiàn)流動性時的轉(zhuǎn)變溫度點。顯然，軟化點越低，在實際應(yīng)用中越方便。

由于環(huán)氧樹脂其易固化的優(yōu)勢在傳統(tǒng)建筑材料中得到了廣泛應(yīng)用。Shamsuddoha通過將具有不同含量的樹脂通過一定的比例混合，制備出新型的環(huán)氧樹脂漿料。這種新型的環(huán)氧樹脂材料在實際應(yīng)用中顯示，其可以修復鋼制管道的缺陷。此外，研究結(jié)果顯示其具有更高的抗壓強度和剛度。此外，其拉伸模量也達到了3 GPa。熱分析結(jié)果顯示，該環(huán)氧樹脂材料的流動轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間為60～90 ℃，這為實際使用過程中修復管道空隙提供了簡單的操作條件[8]。

此外，環(huán)氧樹脂優(yōu)異的耐熱、耐腐蝕性也被廣泛地應(yīng)用在建筑材料上。根據(jù)其在建筑中呈現(xiàn)出的不同性能，建筑類環(huán)氧樹脂材料又可以分為防腐涂料、防火涂料等。據(jù)相關(guān)學者的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過在防火涂料中加入一種耐熱阻燃的改性環(huán)氧樹脂可以顯著提升涂料的性能。相比于普通的阻燃涂料，其固化速度更快、固化條件更低，防火效果更顯著。

1.2 水性環(huán)氧樹脂材料的研究

水性環(huán)氧樹脂通?？梢苑譃樗♂屝秃退榛蛢深?。兩種類型的水性環(huán)氧樹脂都可以均勻彌散分布在水溶液介質(zhì)中。因此，以水溶液作為分散劑，可以有效避免環(huán)氧樹脂工藝流程中加入有機溶劑，有效降低了環(huán)氧樹脂材料對環(huán)境的污染[9-11]。

據(jù)研究報道，通常可以采用相反轉(zhuǎn)法、固化劑乳化法等方法制備水性環(huán)氧樹脂材料。其中，相反轉(zhuǎn)法是通過在高應(yīng)力快速攪拌環(huán)氧樹脂混合體系，與此同時不斷地加入蒸餾水，最終得到水性環(huán)氧樹脂材料。例如。海春杰等研究人員通過對聚乙二醇單甲醚進行改性，經(jīng)過一定的反應(yīng)后制備出環(huán)氧樹脂的乳化劑，通過相反轉(zhuǎn)法制備出水性環(huán)氧樹脂材料。相關(guān)研究結(jié)果顯示，通過此種方法制備的水性環(huán)氧樹脂材料穩(wěn)定性較高，粒徑均勻且分散性較好[12]。

而化學乳化法是指通過一定的化學反應(yīng)，引入親水性基團，使得環(huán)氧樹脂表現(xiàn)出親水性。例如王浩林通過將環(huán)氧樹脂與苯乙烯等材料均勻混合，并在一定條件下反應(yīng)，制備出水性環(huán)氧樹脂材料。研究結(jié)果顯示，采用此種方法制備的水性環(huán)氧樹脂材料，樹脂分子鏈上存在親水基團。此外，制備的水性環(huán)氧樹脂材料穩(wěn)定性較高，對于金屬表面的附著力也較高，形成均勻的涂層結(jié)構(gòu)。分析認為，這是因為有機硅有效地分散了體系中的乳化顆粒，表現(xiàn)出較好的綜合性能[13]。

水性環(huán)氧樹脂材料的特性具有以下特點，首先水性環(huán)氧樹脂采用的分散介質(zhì)通常為水或者水溶液，對環(huán)境污染較小，能夠滿足社會對于綠色環(huán)保的要求；除此之外，由于采用水為分散介質(zhì)，因此不會發(fā)生有機溶劑易燃燒和爆炸的危險，提升了材料使用過程中的安全性；此外，相比于其他樹脂材料，其軟化點較低，可以用水進行清洗，因此在使用過程中較為便捷；由于與基材優(yōu)異的結(jié)合能力，水性環(huán)氧樹脂應(yīng)用的范圍更廣，例如與一些難附著的聚丙烯等高分子材料也有良好的結(jié)合能力；此外，相比于溶劑型環(huán)氧樹脂，水性環(huán)氧樹脂在固化成膜后，其耐腐蝕性能和力學性能更為優(yōu)異，環(huán)境適應(yīng)性更強[13]。

而隨著研究的進一步深入發(fā)現(xiàn)，水性環(huán)氧樹脂中的分散介質(zhì)揮發(fā)速度較慢，而這種現(xiàn)象在高溫高濕度情況下更為顯著。因此，若在實際應(yīng)用中工藝控制不當，容易使得整個表面呈現(xiàn)出發(fā)白的現(xiàn)象，影響整個涂膜的綜合性能。此外，由于水性環(huán)氧樹脂材料的結(jié)冰點較高，需要加入適量的丙二醇等抗凍溶劑。水性環(huán)氧樹脂涂料的分散性也相對較差，容易出現(xiàn)沉淀，所以也需要加入分散劑。因此，在實際應(yīng)用中，水性環(huán)氧樹脂通常與水性丙烯酸等樹脂材料混合使用，能夠改善其在使用過程中出現(xiàn)的一些問題。而進一步研究水性環(huán)氧樹脂材料的具體應(yīng)用方法也成為了國內(nèi)外研究的熱點。

2 水性環(huán)氧樹脂作為功能性建筑材料的應(yīng) 用研究

水性環(huán)氧樹脂兼具優(yōu)異的性能和環(huán)境友好性，更能夠符合使用條件，使得環(huán)氧樹脂的水性化研究越來越多。而據(jù)相關(guān)的研究表明，水性環(huán)氧樹脂材料已經(jīng)成為了樹脂材料的研究熱點。在建筑材料領(lǐng)域逐漸開始可取代溶劑型環(huán)氧樹脂。而據(jù)相關(guān)研究統(tǒng)計，由于鋼鐵材料大面積的使用，鋼鐵腐蝕造成建筑物破壞的現(xiàn)象越來越多。而研究發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂可以在鋼鐵基體表面形成致密的氧化膜，從而減緩鋼鐵表面的氧化行為。水性環(huán)氧樹脂分子結(jié)構(gòu)中大量的環(huán)氧基可以與其他固化劑發(fā)生反應(yīng)，在材料表面形成環(huán)氧涂層，使得整個材料呈現(xiàn)出良好的機械性能和耐腐蝕和鹽霧性能。此外，現(xiàn)有的一些環(huán)氧樹脂材料也可以通過改性，從而轉(zhuǎn)化為水性環(huán)氧樹脂，這進一步擴展了水性環(huán)氧樹脂材料的制備方法[14]。

除此之外，水性環(huán)氧樹脂在無機材料的表面防護也得到了廣泛的使用。研究人員通過在水泥中加入改性后的水性環(huán)氧樹脂材料，并經(jīng)過充分的混合最終形成混合物。研究結(jié)果顯示，加入水性環(huán)氧樹脂后的水泥固化后，材料的抗沖擊性、拉伸強度、致密性、耐腐蝕性能及與對基材的結(jié)合能力都得到了顯著的提升。相比于其他的環(huán)氧樹脂材料，水性環(huán)氧樹脂可以直接涂覆在潮濕或者新澆筑的建筑物表面。通過一定時間的反應(yīng)后，水性環(huán)氧樹脂在建筑物材料表面充分固化后，建筑物表面具有優(yōu)異的抗?jié)B效果，提升了建筑物的抗?jié)B性和抗腐蝕性[15-17]。

在相關(guān)研究中，研究人員通過模擬建筑物材料的結(jié)構(gòu)，制備出了改性瀝青黏層的復合材料，研究了不同條件下水性環(huán)氧樹脂復合材料的性能[18]。研究結(jié)果顯示，水性環(huán)氧樹脂含量加入的越多，復合材料呈現(xiàn)出越高的力學性能。而當水性環(huán)氧樹脂含量較少時，周圍環(huán)境的溫度會對材料的性能造成較大的影響。當水性環(huán)氧樹脂比例提升到20%時，環(huán)境溫度材料力學性能的影響隨之減小。進一步將環(huán)氧樹脂含量對于材料性能的影響總結(jié)見表1[19]。

表1 不同含量水性環(huán)氧樹脂的材料力學性能統(tǒng)計[19]

曾娟娟等通過三乙烯四胺與E51、聚乙二醇二縮水甘油醚反應(yīng)合成了一種水性固化劑，采用該固化劑與E51、活性稀釋劑、填料、水等制備了水性環(huán)氧樹脂涂料。并將水性環(huán)氧樹脂防水涂料的性能測試與JC/T 2217—2014的要求對比見表2[20]。

表2 水性環(huán)氧樹脂涂料的性能

顯然，相比于其他環(huán)氧樹脂材料，水性環(huán)氧樹脂不僅具有環(huán)氧樹脂材料優(yōu)異的性能，而且還具有更簡單、易于施工的操作性以及更重要的環(huán)境友好性。水性環(huán)氧樹脂必將在涂料、復合材料以及建筑設(shè)施建設(shè)等方面發(fā)揮越來越重要的作用[21-23]。

3 結(jié)束語

目前，制備出適用性更廣、綜合性能更佳的環(huán)氧樹脂材料是國內(nèi)外的發(fā)展趨勢和研究熱點。隨著社會對于綠色、環(huán)保意識的增加，在追求高性能的同時更需要考慮產(chǎn)品對環(huán)境友好性。而在目前的市場上，許多環(huán)氧樹脂復合材料在使用過程中已經(jīng)取得較好的效果，但是也凸顯出了一些環(huán)保、工藝問題。隨著社會的進步，對環(huán)氧樹脂復合材料的工藝也提出了更高的要求。水性環(huán)氧樹脂不但具有環(huán)氧樹脂材料優(yōu)異的物理和化學性能，而且還兼具環(huán)境友好性，其必將在建筑建設(shè)等方面發(fā)揮越來越重要的作用。通過對國內(nèi)外的環(huán)氧樹脂復合材料進行研究和討論，未來按照不同的使用條件和工作環(huán)境，研發(fā)出穩(wěn)定、多功能的水性環(huán)氧樹脂體系將是主要發(fā)展方向。