CN114891469A - 一种水性环氧树脂胶黏剂及其制备 - Google Patents
一种水性环氧树脂胶黏剂及其制备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于环氧树脂胶黏剂领域,提供了一种水性环氧树脂胶黏剂及其制备,环氧树脂胶黏剂主要由环氧树脂和固化剂组成,在室温下多呈现液态或固态。常用的环氧树脂难溶于水,只溶于有机溶剂,在具体的应用中也伴随着有机溶剂的使用。进入21世纪后,传统的胶黏剂渐渐无法满足人们日益增长的需求。水性环氧胶黏剂可有效减少有机溶剂的使用,降低VOC值,是一种既保护环境又相对安全健康的胶黏剂。本发明对环氧树脂的改性进行了研究,利用二乙醇胺与聚乙二醇二缩水甘油醚,设计并合成出新型阳离子水性环氧树脂,进一步制备出新型水性环氧树脂胶黏剂。并对改性后的水性环氧树脂进行红外光谱(FT‑IR)和扫描电镜(SEM)的定性表征。
Description
技术领域
本发明属于环氧树脂胶黏剂领域,特别涉及一种水性环氧树脂胶黏剂及其制备。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解,而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
环氧树脂应用范围广泛,但同时也需要酮类、醇类、醚类等有机溶剂进行稀释,降低体系黏度,增强树脂的流动性,这种体系称为溶剂型环氧树脂。这些有机溶剂大多有较强的挥发性,同时也面临着成本增加和污染环境的问题。随着人们绿色环保与保护环境的意识提高,上世纪70年代以来,如何降低有机溶剂的使用量并降低VOC值,成为了环氧树脂应用的新研究方向。水性环氧树脂是能通过一定的手段,以水为连续相,环氧树脂以微粒或液滴的形式分散在水中,形成了稳定的分散体系的环氧树脂。水性环氧树脂具有高粘度和耐磨性,同时降低有机溶剂的使用量,对人体更为安全友好;但同时也因为以水为溶剂,存在固化时间延长、润湿基体表面困难和易腐蚀金属等问题。
水性环氧树脂应用前景广泛,涂料与胶黏剂是其中的两个大热方向。
传统的环氧胶黏剂已经广泛应用于木材、金属、水泥、玻璃等多种材料。进入新世纪以来,科技飞速发展,同时也涌现了更多对胶黏剂的要求,例如耐热性环氧树脂胶黏剂、防水环氧树脂胶黏剂、导电环氧树脂胶黏剂。水性环氧树脂胶黏剂作为一种使用有机溶剂量低、更为安全无毒的环保型胶黏剂,逐渐走入人们的日常生活。常见的水性环氧树脂胶黏剂一般为双组份的胶黏剂,在使用时需要将环氧树脂和固化剂按照一定的比例混合,现用现配。水性环氧树脂胶黏剂引入了亲水性基团,这导致胶黏剂的粘接强度和防水性能降低。
当前制备水性环氧树脂主要分为两种手段:乳化剂乳化法与自乳化法。顾名思义,前者需要额外添加乳化剂来制备水性环氧树脂体系。
自乳化法又称化学改性法,其主要手段是利用环氧树脂上较为活泼的基团,如仲羟基和环氧基等,与含有亲水基团的化合物进行反应,使环氧树脂链接入亲水基团,进而提高环氧树脂的亲水性,达到分子自乳化效果,改善其水化性能。自乳化法制得的水性环氧树脂体系,一方面乳化效果较好,环氧树脂微粒粒径尺度可达几十个纳米级别,性状稳定便于运输和长期储存;另一方面成本造价较高,应用范围受限。
因此,急需研发一种新的水性环氧树脂胶黏剂及其制备工艺,以有效地增强水性环氧树脂胶黏剂的粘接强度,更好地满足多样化的市场需求。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提供一种水性环氧树脂胶黏剂及其制备方法,选择使用化学改性的方法,选用二乙醇胺(Diethanolamine,DEA)与聚乙二醇二缩水甘油醚(Polyethylene glycol diglycidyl ether,PEGGE)(如图1),与环氧树脂上活泼的环氧基团进行开环反应。二乙醇胺既可以起到链接环氧树脂分子的作用,也因其携带的羟基具有一定的亲水性;聚乙二醇二缩水甘油醚一方面可以与环氧树脂和二乙醇胺发生反应增加交联链长度,进而提高树脂的柔软度,另一方面过量的聚乙二醇二缩水甘油醚可作为稀释剂,降低改性树脂的粘稠程度。本发明合成出了一种新型阳离子水性环氧树脂,并进一步制备出新型水性环氧树脂胶黏剂。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
本发明的第一个方面,提供了一种水性环氧树脂胶黏剂的制备方法,包括:
将二乙醇胺与聚乙二醇二缩水甘油醚混合均匀,加入环氧树脂中,进行反应,得到水性环氧树脂;
将所述水性环氧树脂与冰醋酸混合,至体系呈中性后,加水,混合均匀,得到水性环氧树脂乳液;
将过量的三乙烯四胺加入环氧树脂中,并添加丙酮稀释,反应完成后,加入烯丙基缩水甘油醚,继续反应,反应结束后,加水,得到水性环氧树脂固化剂;
将所述水性环氧树脂乳液与水性环氧树脂固化剂混合均匀,即得。
本发明的第二个方面,提供了上述的方法制备的水性环氧树脂胶黏剂,为双组份的胶黏剂,包括:环氧树脂和固化剂,现用现配。
本发明的有益效果
(1)本发明改性后的水性环氧树脂经乙酸中和,以水为溶剂制得水性环氧树脂,与自制的水性环氧树脂固化剂混合后,粘度增大,约4h后固化。因此,本发明所制备的新型水性环氧树脂胶黏剂在室温下具有良好的粘度,可当胶黏剂来使用。
(2)本发明选用二乙醇胺(Diethanolamine,DEA)与聚乙二醇二缩水甘油醚(Polyethylene glycol diglycidyl ether,PEGGE)(如图1),与环氧树脂上活泼的环氧基团进行开环反应。二乙醇胺既可以起到链接环氧树脂分子的作用,也因其携带的羟基具有一定的亲水性;聚乙二醇二缩水甘油醚一方面可以与环氧树脂和二乙醇胺发生反应增加交联链长度,进而提高树脂的柔软度,另一方面过量的聚乙二醇二缩水甘油醚可作为稀释剂,降低改性树脂的粘稠程度。
(3)本发明制备方法简单、实用性强,易于推广。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。
图1为聚乙二醇二缩水甘油醚的结构;
图2为本发明中水性环氧树脂反应路线;
图3为本发明实施例1中(a)水性环氧树脂胶黏剂(b)固化后的水性环氧树脂胶黏剂;
图4为本发明实施例1中不同原料配比的改性环氧树脂;
图5为环氧树脂E-44红外光谱图;
图6为本发明实施例1中改性环氧树脂红外光谱图;
图7为本发明实施例1中添加DEA 2mL和PEGGE 1mL的样品的SEM图;
图8为本发明实施例1中添加DEA 2mL和PEGGE 2mL的样品的SEM图;
图9为本发明实施例1中添加DEA 2mL和PEGGE 3mL的样品的SEM图。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明,本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
一种水性环氧树脂胶黏剂的制备方法,包括:
将二乙醇胺与聚乙二醇二缩水甘油醚混合均匀,加入环氧树脂中,进行反应,得到水性环氧树脂;
将所述水性环氧树脂与冰醋酸混合,至体系呈中性后,加水,混合均匀,得到水性环氧树脂乳液;
将过量的三乙烯四胺加入环氧树脂中,并添加丙酮稀释,反应完成后,加入烯丙基缩水甘油醚,继续反应,反应结束后,加水,得到水性环氧树脂固化剂;
将所述水性环氧树脂乳液与水性环氧树脂固化剂混合均匀,即得。
在一些实施例中,所述环氧树脂、二乙醇胺、聚乙二醇二缩水甘油醚的质量体积比为:5g:1~2mL:1~3mL。
在一些实施例中,环氧树脂、二乙醇胺、聚乙二醇二缩水甘油醚反应条件为:80~90℃下反应3~4h。
在一些实施例中,所述水性环氧树脂与冰醋酸在65~75℃下进行中和反应。
在一些实施例中,所述三乙烯四胺与环氧树脂的摩尔比为1.2~2:1。
在一些实施例中,环氧树脂与烯丙基缩水甘油醚的质量比为8~10:5~6。
在一些实施例中,将三乙烯四胺加入环氧树脂中,并添加丙酮稀释,保持28~32℃下反应2~3h后,滴加烯丙基缩水甘油醚,继续保温反应3~4h。
在一些实施例中,所述水性环氧树脂乳液与水性环氧树脂固化剂的混合比例为1~1.2:1~1.2。
下面结合具体的实施例,对本发明做进一步的详细说明,应该指出,所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
(一)主要实验仪器及试剂
表1实验所用仪器
表2实验所用试剂
(二)实验步骤
1.水性环氧树脂的合成
准备干燥洁净的三口烧瓶、球形冷凝管、电动搅拌器与恒压滴液漏斗。用电子天平称取5g环氧树脂E-44,并加入三口烧瓶中,然后将装置置于80℃的恒温油浴锅中,开启搅拌。量取一定量的二乙醇胺与聚乙二醇二缩水甘油醚并加入滴液漏斗中,以10s每滴的速率缓慢滴加至树脂中。滴加完毕后关闭滴液漏斗,保持温度并继续搅拌4h。
2.水性环氧树脂乳液的制备
取2g水性环氧树脂于烧杯中,在65℃的恒温油浴条件下,缓慢向烧杯中滴加适量的冰醋酸,同时使用pH试纸,使体系呈中性后加入适量蒸馏水并继续搅拌,获得水性环氧树脂乳液。
3.固化剂的制备
准备干燥洁净的三口烧瓶、球形冷凝管、电动搅拌器。将过量的三乙烯四胺(三乙烯四胺的加入量为环氧树脂的摩尔量的1.5倍)加入8g环氧树脂E-44中,并添加4mL丙酮稀释,保持28℃的反应条件并不断搅拌,保温2h后,缓慢滴加5g烯丙基缩水甘油醚,继续保温反应3h。反应结束后从瓶口缓慢滴加蒸馏水,获得水性环氧固化剂。
4.胶黏剂的制备
将水性环氧树脂与自制的水性环氧树脂固化剂按照1:1的质量比加入烧杯并充分搅拌,获得水性环氧树脂胶黏剂。将胶黏剂均匀涂抹在玻璃表面皿,等待环氧树脂的固化。
(三)产物测定与表征方法
产品性状:目测法观察所制得的水性环氧树脂样品的状态、颜色。
红外光谱分析:取少量环氧树脂E-44与改性后的环氧树脂并加热至40℃左右,与KBr粉末压片,用红外光谱仪测定改性环氧树脂的结构。
电镜扫描分析:取少量改性环氧树脂,进行SEM扫描分析其微观形态。
三、讨论
(一)原料配比对改性环氧树脂体系粘度的影响
本发明中,以5g环氧树脂为基准,添加不同比例的二乙醇胺和聚乙二醇二缩水甘油醚,探究原料配比的不同对改性环氧树脂的影响。固定PEGGE的加入量,二乙醇胺添加量与水性环氧树脂体系的粘度呈正相关的关系。反应结束并取出产物冷却后,改性环氧树脂的硬度增大,甚至呈现固态。固定二乙醇胺的添加量,PEGGE添加量与水性环氧树脂体系的粘度呈负相关的关系。如图4所示,固定二乙醇胺的添加量为1mL,从左到右分别为PEGGE的添加量为1mL、2mL、3mL、4mL和5mL的改性环氧树脂在室温下的状态。反应结束并取出产物冷却后,改性环氧树脂的粘度增大,当PEGGE的添加量达到5mL后,改性环氧树脂的粘度会比未改性的环氧树脂的粘度更低。
(二)原料配比对改性环氧树脂体系水性化的影响
未改性的环氧树脂不溶于水,改性后的环氧树脂都会有一定程度的吸水性和水溶性。以二乙醇胺添加量为1mL,聚乙二醇二缩水甘油醚添加量分别为1mL、2mL、2.5mL和3mL为例,改性环氧树脂制成的乳液会由粘稠的白色不透明乳液逐渐变为透明溶液。这一转变证明了改性后的环氧树脂的亲水基增加,水性环氧树脂能够以乳胶粒或者颗粒的形式稳定分散在水相中。增加聚乙二醇二缩水甘油醚的添加量,可以使改性环氧树脂的乳胶粒的粒径更小,分散更加稳定。
表3 PEGGE添加量对改性环氧树脂水溶液状态的影响
(三)红外光谱分析
图5所示是未改性的环氧树脂E-44的红外光谱图,图6所示是改性后的水性环氧树脂的红外光谱图。825cm-1与900cm-1为环氧基的特征吸收峰,对比可知改性后的环氧树脂的环氧基在此处的吸收峰明显减弱,证明环氧树脂上的部分环氧基与乙二醇胺和聚乙二醇二缩水甘油醚发生了开环反应,环氧基数量减少。3400cm-1为羟基的特征吸收峰,对比可知改性后的环氧树脂的羟基吸收峰在此处的吸收明显变强变宽,证明改性后的环氧树脂上接入了更多的羟基。
(四)电镜扫描分析
图7为VDEA:VPEGGE=2:1的改性环氧树脂电镜扫描图。可以发现样品出现了部分结晶的情况。这可能是由于二乙醇胺使用量过多,使改性树脂的网状结构过密,提前固化成类似塑料的状态。图8为VDEA:VPEGGE=2:2的改性环氧树脂电镜扫描图,样品表面较为光滑,但同时存在气泡过多的问题,这是由于在制备改性环氧树脂的过程中,旋转搅拌进入了空气,反应结束后产物温度下降,树脂黏度增大包裹住了空气。此产物含气泡量过多,会影响后续固化性能,不适合使用。图9为VDEA:VPEGGE=2:3的改性环氧树脂电镜扫描图,样品表面最为光滑,只有少量的气泡,室温下呈现凝胶态,比较适合进行下一步的水性化实验。
四、小结
以5g环氧树脂E-44为底料,当添加的二乙醇胺与聚乙二醇二缩水甘油醚的体积比例低于1:2时,可制得室温状态下为粘稠态的水性环氧树脂。二乙醇胺添加量过多会导致改性环氧树脂提前固化,聚乙二醇二缩水甘油醚价格昂贵,同时保证室温条件下的使用,综上所述,5g环氧树脂E-44添加1mL二乙醇胺与3mL聚乙二醇二缩水甘油醚,在80℃的条件下反应4h的改性环氧树脂配方所获得的改性环氧树脂效果最好。改性后的水性环氧树脂经乙酸中和,以水为溶剂制得水性环氧树脂,与自制的水性环氧树脂固化剂混合后,粘度增大,约4h后固化。因此,本发明所制备的新型水性环氧树脂胶黏剂在室温下具有良好的粘度,可当胶黏剂来使用。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已,并不用于限制本申请,对于本领域的技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种水性环氧树脂胶黏剂的制备方法,其特征在于,包括:
将二乙醇胺与聚乙二醇二缩水甘油醚混合均匀,加入环氧树脂中,进行反应,得到水性环氧树脂;
将所述水性环氧树脂与冰醋酸混合,至体系呈中性后,加水,混合均匀,得到水性环氧树脂乳液;
将过量的三乙烯四胺加入环氧树脂中,并添加丙酮稀释,反应完成后,加入烯丙基缩水甘油醚,继续反应,反应结束后,加水,得到水性环氧树脂固化剂;
将所述水性环氧树脂乳液与水性环氧树脂固化剂混合均匀,即得。
2.如权利要求1所述的水性环氧树脂胶黏剂的制备方法,其特征在于,所述环氧树脂、二乙醇胺、聚乙二醇二缩水甘油醚的质量体积比为:5g:1~2mL:1~3mL。
3.如权利要求1所述的水性环氧树脂胶黏剂的制备方法,其特征在于,环氧树脂、二乙醇胺、聚乙二醇二缩水甘油醚反应条件为:80~90℃下反应3~4h。
4.如权利要求1所述的水性环氧树脂胶黏剂的制备方法,其特征在于,所述水性环氧树脂与冰醋酸在65~75℃下进行中和反应。
5.如权利要求1所述的水性环氧树脂胶黏剂的制备方法,其特征在于,所述三乙烯四胺与环氧树脂的摩尔比为1.2~2:1。
6.如权利要求1所述的水性环氧树脂胶黏剂的制备方法,其特征在于,环氧树脂与烯丙基缩水甘油醚的质量比为8~10:5~6。
7.如权利要求1所述的水性环氧树脂胶黏剂的制备方法,其特征在于,将三乙烯四胺加入环氧树脂中,并添加丙酮稀释,保持28~32℃下反应2~3h后,滴加烯丙基缩水甘油醚,继续保温反应3~4h。
8.如权利要求1所述的水性环氧树脂胶黏剂的制备方法,其特征在于,所述水性环氧树脂乳液与水性环氧树脂固化剂的混合比例为1~1.2:1~1.2。
9.权利要求1-8任一项所述的方法制备的水性环氧树脂胶黏剂。
10.权利要求9所述的水性环氧树脂胶黏剂,其特征在于,所述水性环氧树脂胶黏剂为双组份的胶黏剂,包括:环氧树脂和固化剂,现用现配。
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