4.5.2　環氧改性水性聚氨酯樹脂及應用實例

聚氨酯具有耐高低溫性柔韌性好，黏結強度大，優異的耐溶劑性、耐候性和防腐蝕性等特點，使得它在涂料、交聯劑等許多領域得到廣泛的應用。但隨著環境法規的日益嚴格，其中溶劑型聚氨酯涂料因含有機溶劑而日益受到限制，水性聚氨酯涂料等雖符合涂料行業發展環保型涂料的趨勢，但因其分子中引入了親水基團，水性聚氨酯涂膜的耐化學性和耐溶劑性較差，硬度較低、表面光澤度不高，需要加以改性。環氧樹脂具有高模量、高強度、優良的附著力和低收縮率；對水、中等酸、堿和其他溶劑有良好的耐蝕性、耐化學性好等優點，其分子結構中含有羥基和活潑的環氧基，容易發生反應；又含有苯環、醚鍵，結構稠密。它的加入會使聚氨酯產生一定程度的交聯，形成網絡結構，對聚氨酯涂膜的力學性能、耐水性能等有較大影響。環氧樹脂改性水性聚氨酯主要是利用環氧樹脂的—OH和—NCO發生反應以及環氧樹脂中環氧基的開環反應。—OH和—NCO發生反應使得聚氨酯和環氧樹脂兩相間存在化學鍵間的結合，有利于提高相容性和共混程度；開環反應則使環氧樹脂引入交聯，使改性后的體系交聯程度進一步提高，對改性體系的穩定性有一定影響。將環氧樹脂的高耐性、高黏結性及高強度引入到聚氨酯樹脂中，獲得的改性樹脂綜合了兩者的優點，在膠黏劑、涂料等領域有著巨大的應用前景。

實例4-27　水性環氧改性聚氨酯金屬防銹涂料^[62]

（1）水性環氧改性聚氨酯樹脂分散體的制備　在干燥氮氣保護下，向裝有溫度計、攪拌裝置和回流冷凝器的反應器中加入經脫水處理的；聚己二酸丁二醇酯二醇（CMA-2000）、異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）和催化劑（DBTL），控制反應溫度為80～85℃反應2h；降溫至75～80℃，加入1，6-己二醇（1，6-HD）反應30min，以二正丁胺法測定體系中NCO基團的含量，達到理論設定值后加入以N-甲基吡咯烷酮（NMP）溶解的二羥甲基丙酸（DMPA）溶液，反應約1.5h；進一步降低溫度至65℃，加入（E-20），繼續保溫反應2h；降溫至20～25℃，以適量丙酮（AT）稀釋后加入三乙胺（TEA）中和，然后在常溫去離子水中進行剪切乳化，再用乙二胺（EDA）進行水相擴鏈；最后，抽真空脫去丙酮得到水性聚氨酯環氧樹脂乳液。

（2）水性防銹涂料的制備　水性防銹涂料基本配方按比例投入配制罐中，在高速分散機上以1500r/min分散30min，然后轉至砂磨機進行研磨至細度達30μm（約20min），過濾至容器中待涂料消泡后即可。

（3）水性防銹涂料的性能（見表4-15）

實例4-28　水性聚氨酯-環氧樹脂復合物的制備及應用^[63]

（1）水性聚氨酯-環氧樹脂復合物的制備工藝

① 環氧樹脂-胺加成物的制備：環氧樹脂用適量丁酮溶解后，倒入裝有電動攪拌器，回流冷凝管和溫度計的三口燒瓶中。升到一定溫度后，加入二乙醇胺。繼續升溫并反應一段時間，用丁酮做溶劑調節勃度，取樣測定環氧基的含量，直至接近理論值。實驗采用環氧基與二乙醇胺的摩爾比為n_環氧∶n_二乙醇胺=1∶1的體系，在60～85℃下反應一定時間。

② 聚氨酯預聚體的制備：在干燥氮氣保護下，將脫水過的低聚物二元醇、二羥甲基丙酸（DMPA）加入裝有溫度計！攪拌裝置和回流冷凝器的四口燒瓶中，在一定時間內攪拌升溫至所需溫度。按設計方式和用量加入異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI），反應一段時間，取樣測定—NCO基的含量（二正丁胺法），直至接近理論值。按設計方式和用量加入內交聯劑三羥甲基丙烷（TMP），在新的設定溫度下反應至—NCO基含量接近新的理論值。

③ 具有聚合物微凝膠結構的聚氨酯-環氧樹脂復合物的制備：按設計方式和用量先加入內交聯劑環氧樹脂-胺加成物（DEA-EP），在新的設定溫度下反應至—NCO基含量達到新的理論值。

④ 聚氨酯-環氧樹脂共混物的制備。在新的設定溫度下，按設計方式和用量加入用丁酮溶解好的未改性的環氧樹脂（EP），攪拌均勻，檢測—NCO基的含量。

⑤ 聚氨酯-環氧樹脂的乳化與胺擴鏈：在設定溫度下，按設計中和度加入計量的TEA，中和成鹽40～60min，用丁酮調節黏度。加入胺擴鏈劑擴鏈，在高速剪切條件下，滴加計量的去離子水，使之分散，真空抽除溶劑，用氨水調節pH。保溫一定時間，出料。200目篩網過濾，即得到環氧—聚氨酯樹脂復合乳液。其物理性能如表4-16所示。

（2）水性防腐涂料的配方　以聚氨酯—環氧樹脂復合乳液為漆基，三羥甲基丙烷三（3-乙烯亞胺）丙酸酯為固化劑，配制雙組分水性涂料，以自制聚氨酯—聚丙烯酸酯復合乳液為漆基，配制單組分水性涂料。

三類水性涂層體系：鋼結構基材—陰極電泳底涂—雙組分水性中涂—單組分水性面涂（體系一）；鋼結構基材—雙組分水性底涂—雙組分水性中涂—單組分水性面涂（體系二）；鋼結構基材—雙組分水性底涂，雙組分水性中涂—雙組分水性面涂（體系三）。

（3）水性防腐涂層的性能

① 底涂層的性能（見表4-17）

② 中涂層的性能（見表4-18）

③ 三種涂層體系涂裝面涂后的性能。根據面涂層的功能要求，結合水性涂料的特點，面涂層的PVC值選擇16%。三種涂層體系的性能比較見表4-19。