水性环氧树脂涂料的固化成膜过程

溶剂型环氧涂料及单组分聚合物乳胶涂料的成膜过程

    溶剂型环氧树脂涂料的固化成膜包含溶剂挥发成膜与化学成膜两种成膜机理。环氧树脂与固化剂均以分子形式均匀地分散在溶剂相中，反应体系为均相体系，环氧树脂分子与固化剂分子可以自由充分接触。随着溶剂的挥发，环氧树脂与固化剂反应，若固化反应完全，则能够形成结构致密、均一的涂膜。单组分聚合物乳胶涂料的成膜是典型的高分子扩散过程，理论上这一过程可细分为3个阶段：水分挥发、乳胶粒子变形和粒子合并^[2-5]。乳胶涂料在涂覆以后，乳胶粒子仍能以布朗运动的形式自由运动。随着水分挥发，它们的运动逐渐受到限制，最终乳胶粒子相互靠近，变成紧密堆积，如图1所示。粒子之间形成很小的空隙并被水所充满，产生巨大的毛细管压力，随着水分的继续挥发，毛细管压力越来越大，最终克服粒子问界面膜存在的电位阻或机械位阻作用。在巨大的毛细管压力作用下，乳胶粒内的聚合物分子透过界面膜在粒子间相互扩散、融合，乳胶粒子发生自黏合作用，形成均匀的涂膜。因此，单组分聚合物乳胶涂料的成膜过程是一个纯粹的物理过程。

图1单组分聚合物乳胶涂料成膜过程

Figure l Film formation process of waterborne single-component polymer emulsion coatings

水性环氧涂料的成膜及其与乳胶涂料、溶剂型环氧涂料成膜过程的比较

    水性环氧树脂是O/W乳化体系，环氧树脂以乳胶微粒的形式分散在水中，是多相分散体系。当环氧树脂与固化剂(通常是水溶性的胺、聚酰胺等)混合后，固化剂溶解在水相中，其成膜过程可用图2表示^[6]。

图2水性环氧涂料的干燥成膜过程

Figure 2 Drying and film formation process of waterborne epoxy resin coatings

水性环氧涂料涂覆后，在适宜的条件下，水分很快挥发，大部分水分挥发后，分散相微粒相互靠近，形成紧密堆积，残存少量的水填充在乳胶微粒的缝隙间，形成巨大的毛细管压力，相互靠近、堆积的乳胶微粒在毛细管压力下变形成六边形结构。与单组分聚合物乳胶涂料一样，环氧树脂以及部分固化了的环氧树脂在乳胶粒子间相互扩散，直至形成均一、连续的涂膜。与单组分乳胶涂料不同的是，在水分挥发、粒子变形、粒子合并阶段都伴随着环氧树脂与固化剂之间的化学反应。因此，水性环氧体系的固化过程中，物理过程与化学反应交织进行，是一个典型的物理化学过程。

在固化成膜过程中，固化剂分子首先和环氧树脂分散相粒子的表面接触并在表面发生固化反应。随着交联反应的进行，环氧树脂分散相的分子量和玻璃化温度逐渐提高，使固化剂分子向环氧树脂分散相粒子内部的扩散速度逐渐变慢，这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的少，内部交联密度也较低。同时，随着固化反应的进行，环氧树脂分散相粒子逐渐变硬，粒子之间相互凝结成膜的难度加大。A．Wegmann^[6]认为，水性环氧树脂涂料同溶剂型环氧树脂涂料相比，很难形成均相、完全固化的涂膜，并认为这是影响水性环氧树脂涂膜性能的首要原因。

笔者的研究表明，应用合适的工艺得到细腻稳定的环氧树脂乳液体系，并选择合适的固化剂，在适宜的固化条件下仍然能够得到防腐性能、物理机械性能等综合性能优良的水性环氧树脂涂膜，但与溶剂型环氧树脂涂膜相比，仍然存在一定的差距^[7-8]。

双组分水性环氧涂料固化成膜机理探讨

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