。试验研究
中国资源综合利用
ChinaResourcesComprehensiveUtilization
Vo1．30。No．2
2012年2月
环保型纳米TiO2改性水性环氧涂料的研制
高伟华，冯思静
(辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，辽宁阜新123000)
摘要：通过正交实验和单因素实验，以涂膜的拉伸强度为依据，确定了纳米TiO2改性水性环氧涂料时，
制备环氧一甲基丙烯酸乙酯接枝共聚乳液的单体过氧化苯甲酰(BPO)和甲基丙烯酸乙酯(EMA)的最佳
用量，适当的反应时间和反应温度，固化剂的最佳添加量，以及纳米TiO2的最佳添加量。对涂膜进行了
红外光谱和热重分析，对比检测了未改性环氧涂料、EMA改性环氧涂料、纳米TiO2改性水性环氧涂料
的各方面性能。结果表明，纳米TiO2改性水性环氧涂料的各方面性能良好，涂膜具有较高的机械强度、
良好的附着力、较好的热稳定性和耐水、耐酸碱性能。
关键词：环氧一甲基丙烯酸乙酯乳液；水性涂料；纳米TiO2
中图分类号：TQ637文献标识码：A文章编号：1008—9500(2012)02—0034—03
ThePreparationofWaterborneEpoxyFlame-retardantCoatings
GaoWeihua，Sijing
(InstituteofEnvironmentScienceandEngineering，LiaoningTechnicalUniversity，Fuxin123000，China)
Abstract：Byorthogonalexperimentandthesinglefactorexperiment，nanoTiO2modifiedwaterborneepoxy
coatingwasprepared．Accordingtothetensilestrengthoffilm，theoptimumcontentofBPOandEMAwas
determined，appropriateadditivequantityforcuringagenLnanoTi02wasobtained，includingsuitablereaction
timeandreactiontemperature．Infraredspectrumanalysisandthermogravimetricanalysisweretestedforfilm，
comparingvariousperformancesofunmodifiedepoxycoating，EMAmodifiedepoxycoatingandnanomodified
waterborneepoxycoating．TheresultshowedsthatnanoTiO2modifiedwaterborneepoxycoatinghadhigh
mechanicalstrengthandadhesionforce，highthermalstability，waterandacid-proofalkalineresistance．
Keywords：epoxy-EMAemulsion；waterbornecoating；nanoTiO2
目前常用的环氧树脂涂料大部分是溶剂型．其
中的有机挥发物大多属于易燃易爆及有毒物质。如
直接排放到大气中，在紫外线辐射下会产生光烟雾
或形成酸雨，对环境造成严重污染[。因此，对环氧
树脂涂料的水性化研究具有重要意义。因环氧树脂
较脆，其力学性能不够完善_2]，而纳米TiO颗粒小，
具有极强的表面活性．与环氧树脂结合可明显提高
涂层的结合力、硬度和拉伸强度[3]。通过化学接枝
改性法．将甲基丙烯酸乙酯接枝到环氧树脂上使其
获得亲水基而水性化，并添加纳米TiO，使制备的
涂料具有较好的拉伸强度．良好的附着力，较高的
热稳定性和耐水、耐酸碱性能。
1实验部分
1．1主要原料
环氧树脂E-44。沈阳正泰防腐材料有限公司；
过氧化苯甲酰，沈阳华特化学有限公司；甲基丙烯
酸乙酯，沈阳德美化工有限公司；乙二胺，沈阳第一
有机化工股份有限公司；纳米TiO：(30～50nm)，上
海润和纳米材料公司。
1．2主要仪器与设备
数显恒温水浴锅，HH一4型，常州国华电器厂；
傅里叶红外光谱，FT2000型，美国尼高力公司；热
重测试仪，STA449C型，德国耐驰公司；拉伸试验
机，XLD一1KN型，承德试验机有限责任公司。
1．3制备工艺
在装有搅拌器、滴液漏斗、冷凝管及温度计的
四口烧瓶中依次加人一定量的E一44，EMA，BPO，
控制反应温度和反应时间制备接枝共聚物；接着加
入一定量的氨水和蒸馏水，调节pH值为7左右得
收稿日期：201l-12—07
作者简介：高伟华(1988～)，男，福建宁德人，大学本科，主要从事环境工程和生态治理等方面的研究工作。
-34-
第2期高伟华等：环保型纳米TiO改性水性环氧涂料的研制。试验研究
乳液，室温保存。最后依次加入纳米TiO、二甲基硅
油，高速搅拌即得环保型纳米TiO：改性水性环氧
涂料，与相应的固化剂乙二胺配量使用。配方见表
1所示。
表1纳米TjO涂料的基础配方％
物料质量分数物料质量分数
E一4438Ti0，3
BPO2氨水7
EMA5氨基硅油1
乙二胺l0蒸馏水30
Si0，4
1．4性能检测
傅里叶红外光谱仪检测内部基团：热重测试仪
检测其热稳定性：吸水率根据GB／T1738—1979(绝
缘漆漆膜吸水率测定法》标准测定；附着力按照
GB／T9286—1998(色漆和清漆漆膜的划格试验》标
准测定：贮存稳定性根据GB／T6753．3—1986(涂料
贮存稳定性试验方法》进行测定：拉伸强度根据
GB／T16421—1996(塑料拉伸性能小试样试验方法》
标准测定：耐水性根据GB／T1733—1993(漆膜耐水
性测定法》标准测定；耐酸性和耐碱性根据GB／T
1763—1979(漆膜耐化学试剂性测定法》标准测定。
2结果与讨论
2．1正交设计实验
水平因素见表2所示，正交实验见表3所示。
表2水平因素
2．2正交实验结果
由表3可知，通过正交实验的极差分析，各因
素对涂膜的平均拉伸强度的影响顺序是：A>B>C>
D>E。故最佳方案为A3B2CD2E3。即固化剂乙二胺为
l0％，EMA为3％，BPO为2％，反应温度70℃，反
应时间60min。
2-3红外光谱分析
接技共聚物红外光谱见图1所示。从图1可以
看出，1602cm为对位取代苯氧基的特征吸收峰，
表3正交实验表
拉伸
序号A(％)B(％)C(％)D(℃)E(min)强度
(MPa)
1
3．625
4．050
4．650
4．550
1．025
注：K和R分别代表均值和极差
1258cm处为环氧树脂的C—O伸缩振动．1157
cm处一C(CH3)2_骨架振动，830cm和1501cm
处为的苯环上的对位双取代特征峰：1725cm处
有很强的C—O的伸缩振动。证明甲基丙烯酸乙酯
确实接枝到了环氧分子链上。红外光谱证实了甲基
丙烯酸乙酯与环氧树脂形成接枝共聚物。
糌
1365865346458344
2411374235691831
123441231234234
05550
●2423。234卯卯35431
50OO0
。24●2，
鲫
45331
34，234●234刀
5O5O0
2233334444卯
●23456789mnR
8765432l
OOO0O00O
。试验研究中国资源综合利用第2期
伸强度最大，但超过3％后，拉伸强度急剧下降。原
因是纳米TiO：的表面活性很强，可以加剧涂层高
分子链段的运动，提高拉伸强度。但是纳米微粒的
含量太高，其聚集倾向越严重，分散的难度也就越
大，从而使涂膜的拉伸强度下降。
窒
、一
皤
纳米TiO2加入量(％)
图2Ti0，加入量与拉伸强度的关系
2．5热重分析
热重分析如图3、图4所示。未改性环氧涂料
的起始分解温度Ti为303．51℃，50％热失重的温度
为393．62oC，热反应终止温度Tf为616．03oC(此时
质量剩余率为13．97％)。纳米复合改性水性环氧涂
料的Ti为315．46。【=，50％热失重的温度为406．65
℃，Tf为725．04℃(此时质量剩余率为17．98％)。说
明纳米粒子的加人提高了涂料的热稳定性。原因是
环氧基团在界面上与纳米粒子产生远大于范德华
力的作用力，形成非常理想的界面，能起到很好的
引发微裂纹、吸收能量的作用，使分子间的作用力
更强，热稳定性能得到提高。
一、
、一
温度(℃)
图3未改性环氧涂料的TG曲线
2．6涂料的主要性能指标
涂料的主要性能检测结果如表4所示。
-36-
-、
、-，
槲
呵删
瞧
温度(。c)
图4纳米TiO2改性水性环氧涂料的TG曲线
表4主要性能检测结果
3结论
(1)接枝共聚物的最佳工艺条件是：固化剂乙
二胺添加量为10％，EMA添加量为3％，BPO添加
量为2％，反应温度70℃，反应时间60min。
(2)甲基丙烯酸乙酯确实接枝到了环氧分子链
上。甲基丙烯酸乙酯与环氧树脂形成接枝共聚物。
(3)纳米TiO的最佳添加量为3％。
(4)制备的环保型纳米TiO改性水性环氧涂
料的冲击强度显著提升，涂膜具有较高的机械强
度、良好的附着力、较好的热稳定性和耐水、耐酸碱
性能。
参考文献
1王德中．环氧树脂生产与应用[M]．北京：化学工业出版社，
2001．
2张玉芳．孔令奇，周春华．水性环氧丙烯酸乳液的合成与表
征[J]．济南大学学报(自然科学版)，2009，23(2)：162—165．
3杨保平，崔锦峰，张应鹏，等．环氧改性氟碳纳米复合船舶
涂料的研制[J]．兰州理工大学学报，2005，31(5)：67—7O．
(责任编辑／陈军)
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