CN108070093A - 一种水性环氧树脂乳液的制备方法 - Google Patents

一种水性环氧树脂乳液的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种水性环氧树脂乳液的制备方法,其步骤主要包括制备氯化胆碱/丙三醇低共熔溶剂、用该低共熔溶剂催化活化木素磺酸钠和将活化后的木素磺酸钠与OP‑10作为复合乳化剂,采用相反转法,以环氧树脂为油相,水为分散介质,制得水性环氧树脂乳液。其特点是借助原料来源广泛、绿色无毒且制备过程简便的氯化胆碱/丙三醇低共熔溶剂的溶剂化、催化、活化等多重协同作用,改性价格低廉的木质素磺酸钠,并将其与OP‑10复合作为环氧树脂的乳化剂,制备水性环氧树脂乳液,整个过程无需添加任何有机溶剂,无毒无害,有利于保护环境。本发明为水性环氧树脂乳液的制备提出一种新的方法,具有一定的社会和环境效益。

Description

一种水性环氧树脂乳液的制备方法
技术领域
本发明属于化学工业应用领域,具体涉及一种水性环氧树脂乳液的制备方法。
背景技术
环氧树脂(EP)是一种粘接性能好,耐腐蚀,且电绝缘性能和机械强度很高的热固性树脂,与酚醛树脂(PF)和不饱和聚酯树脂并称为三大通用型热固性树脂,对金属和非金属都有很好的胶接效果,故环氧树脂胶黏剂又有“万能胶”之称。然而,传统的环氧树脂难溶于水,易溶于芳烃类、酮类及醇类等有机溶剂中,而有机溶剂通常价格较高,有毒,且有挥发性,容易污染环境。随着工业的发展和人们环保意识的增强,研发出不含或少含挥发性有机化合物(VOC)以及有害空气污染物(HAP)的体系已成为新型材料的研究方向,因此,环氧树脂的水性化研究越来越受到重视。目前,水性环氧树脂可分为水溶型和水乳型两种,而前者由于固含量低及固化过程中水挥发慢等缺点,往往很少使用。水乳型环氧树脂又包括外加乳化剂型和自乳化型两大类。自乳化型又称化学反应型,即将一些亲水性的基团引入到环氧树脂分子链上,或嵌段或接枝,使环氧树脂获得自乳化的性质。由于其制备机理及工艺较复杂,成本较高等,很少采用。因此,研究报道较多的是外加乳化剂型,即采用聚乙二醇PEG-4000、二乙醇胺、对氨基苯甲酸等,对环氧基进行开环反应,从而引入亲水性链段,制得改性后的环氧树脂乳化剂,再采用相反转法制备水性环氧乳液。但其过程中大多还需要加入有毒的有机溶剂,如乙二醇单丁醚、丙二醇甲醚等,难以做到真正的绿色环保。所以,开发新型乳化剂、探讨无毒制备工艺是进一步促进水性环氧树脂乳液应用的关键所在。
木质素磺酸盐作为木质素的衍生物,来源广泛,是一种亲水性的阴离子高分子化合物,具有良好的分散、乳化等表面物化性能。近年来其改性制备表面活性剂更是蓬勃发展并取得了系列重要进展。然而,其本身也存在一些问题,如分子结构复杂,分子量分布广,缺乏结构规整的亲油基团等;此外,木质素磺酸盐还带有特殊的颜色,且其生色机理至今尚未研究清楚,这些均制约了其作为表面活性剂的应用。近年来,低共熔溶剂(DES)以其绿色环保且具备独特的物理化学性质等受到越来越多的关注,它不仅可作为一种优良的溶剂,而且还可充当催化剂,已在有机合成、化工分离和电化学等领域显示出良好的应用前景,但是其在催化活化木质素磺酸盐方面尚无应用。本发明选用木质素磺酸钠,借助自制的氯化胆碱/丙三醇低共熔溶剂对其进行催化活化处理,再将处理后的木质素磺酸钠与OP-10乳化剂调配为复合乳化剂,采用相反转法,以环氧树脂为油相,制备水性环氧树脂乳液,从而既可实现对木质素磺酸盐及低共熔溶剂的高值化利用,又能达到绿色环保的目的,具有重要的社会和环境效益。
发明内容
本发明的目的:旨在提供一种原料易得、成本低廉、操作简便、绿色环保的新型水性环氧树脂乳液的制备方法。
本发明的技术方案:借助氯化胆碱/丙三醇低共熔溶剂的溶剂化、催化、活化等多重协同作用,降解并催化活化木质素磺酸钠,提高表面活性并有效降低其色度;将活化后的木素磺酸钠与OP-10作为复合乳化剂,采用相反转法,以环氧树脂为油相,水为分散介质,制得水性环氧树脂乳液。
一种水性环氧树脂乳液的制备方法,主要包括以下步骤:
(1)氯化胆碱/丙三醇低共熔溶剂的制备:将氯化胆碱与丙三醇按照1∶1~3的摩尔比混合,在80~100℃条件下,搅拌反应至体系为无色透明液体,备用。
(2)低共熔溶剂催化活化木质素磺酸钠:将木质素磺酸钠与步骤(1)所得的低共熔溶剂按一定的质量比加入常压反应器中,搅拌均匀后,在70℃~110℃中静置反应2~6h后,加入适量的无水乙醇,多次洗涤、离心,直至上清液呈无色透明,最后的沉淀物经50~70℃的烘箱干燥得到催化活化后的木质素磺酸钠。
(3)水性环氧树脂乳液的制备:将预热后的环氧树脂和复合乳化剂加入常压反应器中,在搅拌速度为150~350rpm、温度为65~95℃的条件下反应1.5~3.5h后,开始缓慢滴加蒸馏水,直至体系的粘度突然下降,说明此时已发生相反转,停止滴加蒸馏水,并将转速调为800~1200rpm,使其高速分散0.5~2.5h,制得水性环氧树脂乳液。
所述步骤(2)中木质素磺酸钠与低共熔溶剂的质量比为1∶5~15;
所述步骤(3)中环氧树脂的预热温度为45~65℃,预热时间为20~60min;
所述步骤(3)中的复合乳化剂是由OP-10乳化剂与催化活化后的木质素磺酸钠复合而成,二者质量比为1∶1~5,复合乳化剂用量为环氧树脂质量的20%~40%;
所述步骤(3)中所滴加蒸馏水的质量为环氧树脂乳液质量的40%~60%。
本发明与现有技术相比具有以下优点:
(1)本发明借助绿色无毒的氯化胆碱/丙三醇低共熔溶剂的溶剂化、催化、活化等多重协同作用,既提高了木质素磺酸钠的表面活性,又有效降低了其色度,工艺简便,能耗较低。
(2)本发明所用的乳化剂是由催化活化后的木素磺酸钠与OP-10乳化剂复合而成的,其原料来源广泛、价格低廉、绿色无毒且制备过程简便。
(3)本发明采用简单新颖的路线,借助处理后木素磺酸钠与OP乳化剂的协同作用,能很好地乳化环氧树脂,且乳液的制备过程中无需添加任何有机溶剂,整个过程绿色环保。
附图说明
附图为处理前、后木质素磺酸钠的红外光谱图。与处理前相比,处理后的木质素磺酸钠在3423cm-1处-OH的伸缩振动吸收峰强度无明显变化,但在1390cm-1处新增一个代表-OH的面内弯曲振动吸收峰,而在1604cm-1、1511cm-1和1425cm-1处代表木质素苯环的吸收峰强度明显下降,且1039cm-1处C-O的弯曲振动吸收峰强度也明显降低,说明经过氯化胆碱/丙三醇低共熔溶剂的催化活化处理后,木质素磺酸钠的反应活性得到了一定的提高,且分子内部发生了明显的降解反应,生成了小分子结构。
具体实施方式
实施例1
将氯化胆碱与丙三醇按照1∶2的摩尔比混合,加入密封的反应容器中,在100℃下搅拌5min,反应液透明,得到氯化胆碱/丙三醇低共熔溶剂。待其冷却至室温后,称取144g加入另一密封的反应容器中,并缓慢加入木质素磺酸钠粉末12g,搅拌均匀并在90℃下静置反应5h,加入无水乙醇,多次洗涤、离心,直至上清液呈无色透明,最后的沉淀物经60℃的烘箱干燥得到催化活化后的木质素磺酸钠,颜色由棕褐色降为淡棕色。称取该催化活化后的木素磺酸钠2g,OP-10乳化剂1g和经60℃烘箱预热30min后的环氧树脂E-44 10g,加入装有搅拌器、温度计及恒压漏斗的反应器中,并置于75℃的水浴锅中,同时开启机械搅拌,在250rpm的转速下反应2h,制得改性后的环氧树脂。然后,开始缓慢滴加蒸馏水,直至体系的粘度突然下降,说明此时已发生相反转,停止滴加蒸馏水,并在950rpm的转速下高速分散2h,制得水性环氧树脂乳液。乳液呈淡棕色,可静置100min不分层。
实施例2
将氯化胆碱与丙三醇按照1∶2的摩尔比混合,加入密封的反应容器中,在100℃下搅拌5min,反应液透明,得到氯化胆碱/丙三醇低共熔溶剂。待其冷却至室温后,称取144g加入另一密封的反应容器中,并缓慢加入木质素磺酸钠粉末12g,搅拌均匀并在90℃下静置反应5h,加入无水乙醇,多次洗涤、离心,直至上清液呈无色透明,最后的沉淀物经60℃的烘箱干燥得到催化活化后的木质素磺酸钠,颜色由棕褐色降为淡棕色。称取该催化活化后的木素磺酸钠1.5g,OP-10乳化剂1.5g和经60℃烘箱预热30min后的环氧树脂E-44 10g,加入装有搅拌器、温度计及恒压漏斗的反应器中,并置于75℃的水浴锅中,同时开启机械搅拌,在250rpm的转速下反应2h,制得改性后的环氧树脂。然后,开始缓慢滴加蒸馏水,直至体系的粘度突然下降,说明此时已发生相反转,停止滴加蒸馏水,并在950rpm的转速下高速分散2h,制得水性环氧树脂乳液。乳液呈淡棕色,可静置140min不分层。
实施例3
将氯化胆碱与丙三醇按照1∶2的摩尔比混合,加入密封的反应容器中,在100℃下搅拌5min,反应液透明,得到氯化胆碱/丙三醇低共熔溶剂。待其冷却至室温后,称取144g加入另一密封的反应容器中,并缓慢加入木质素磺酸钠粉末12g,搅拌均匀并在90℃下静置反应5h,加入无水乙醇,多次洗涤、离心,直至上清液呈无色透明,最后的沉淀物经60℃的烘箱干燥得到催化活化后的木质素磺酸钠,颜色由棕褐色降为淡棕色。称取该催化活化后的木素磺酸钠1.75g,OP-10乳化剂1.75g和经60℃烘箱预热30min后的环氧树脂E-44 10g,加入装有搅拌器、温度计及恒压漏斗的反应器中,并置于75℃的水浴锅中,同时开启机械搅拌,在250rpm的转速下反应2h,制得改性后的环氧树脂。然后,开始缓慢滴加蒸馏水,直至体系的粘度突然下降,说明此时已发生相反转,停止滴加蒸馏水,并在950rpm的转速下高速分散2h,制得水性环氧树脂乳液。乳液呈淡棕色,可静置170min不分层。
对比实例1
称取OP-10乳化剂3g,经60℃烘箱预热30min后的环氧树脂E-44 10g,加入装有搅拌器、温度计及恒压漏斗的反应器中,并置于75℃的水浴锅中,同时开启机械搅拌,在250rpm的转速下反应2h,制得改性后的环氧树脂。然后,开始缓慢滴加蒸馏水,直至体系的粘度突然下降,说明此时已发生相反转,停止滴加蒸馏水,并在950rpm的转速下高速分散2h,制得的乳液呈乳白色,静置下立即分层。
与对比实例1单用OP-10乳化剂相比,本发明的方法中采用催化活化后的木素磺酸钠与OP-10乳化剂复合使用,能充分发挥两者的协同作用,在相同乳化剂用量及处理条件下能显著提高环氧树脂乳液的稳定性。

Claims (5)

1.一种水性环氧树脂乳液的制备方法,主要包括以下步骤:
(1)氯化胆碱/丙三醇低共熔溶剂的制备:将氯化胆碱与丙三醇按照1∶1~3的摩尔比混合,在80~100℃条件下,搅拌反应至体系为无色透明液体;
(2)低共熔溶剂催化活化木质素磺酸钠:将木质素磺酸钠与步骤(1)所得的低共熔溶剂按一定的质量比加入常压反应器中,搅拌均匀后,在70℃~110℃中静置反应2~6h后,加入适量的无水乙醇,多次洗涤、离心,直至上清液呈无色透明,最后的沉淀物经50~70℃的烘箱干燥得到催化活化后的木质素磺酸钠;
(3)水性环氧树脂乳液的制备:将一定量预热后的环氧树脂和复合乳化剂加入常压反应器中,在搅拌速度为150~350rpm、温度为65~95℃的条件下反应1.5~3.5h后,开始缓慢滴加适量蒸馏水,直至体系的粘度突然下降,说明此时已发生相反转,停止滴加蒸馏水,并将转速调为800~1200rpm,使其高速分散0.5~2.5h,制得水性环氧树脂乳液。
2.根据权利要求1所述的水性环氧树脂乳液的制备方法,其特征在于所述步骤(2)中木质素磺酸钠与低共熔溶剂的质量比为1∶5~15。
3.根据权利要求1所述的水性环氧树脂乳液的制备方法,其特征在于所述步骤(3)中环氧树脂的预热温度为45~65℃,预热时间为20~60min。
4.根据权利要求1所述的水性环氧树脂乳液的制备方法,其特征在于所述步骤(3)中复合乳化剂是由OP-10乳化剂与催化活化后的木质素磺酸钠复合而成,二者质量比为1∶1~5,复合乳化剂用量为环氧树脂质量的20%~40%。
5.根据权利要求1所述的水性环氧树脂乳液的制备方法,其特征在于所述步骤(3)中所滴加蒸馏水的质量为环氧树脂乳液质量的40%~60%。
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