高性能环氧高分子材料的制备及应用

邱振宇

(天津大学仁爱学院，天津 301636)

环氧高分子材料性能优异，应用广泛[1-4]，越来越成为地坪涂装的主流材料[5-8]。但环氧高分子材料耐候性不佳，通常仅作为室内地坪涂装材料使用。

近年来，国家对于户外健身路径的投入逐渐加大[9-12]。相较于聚氨酯和丙烯酸材料，环氧高分子材料特点明显，优势突出，但耐候性不佳制约着其作为户外健身路径地面材料应用。

为了改善环氧高分子材料耐候性不佳的问题，本文采用行之有效的分子设计和配方设计方法[1,13-15]：采用结构特殊的改性固化剂进行化学改性。制备出耐候性明显优于国外竞品材料，耐磨性、附着力等性能稳定的高性能环氧高分子材料，有望能作为户外地面材料使用。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

环氧树脂128(南亚，牌号：NPEL-128，纯度>99%)；改性固化剂(自制，纯度>97%)；单官能活性稀释剂C12～C14(美国瀚森，纯度>99%)；膨润土(纯度>99%)、石英粉(800目，纯度>99%)、碳酸钙(800目，纯度>99%)均为市售产品。

莱思LS-UV3紫外线耐候老化实验箱；瑞格尔RGM-2200微机控制电子万能实验机；BN-X6型智能数显摆式摩擦系数仪。

1.2 材料制备

改性环氧高分子材料的基础配方见表1，制备方法如下：

表1 改性高性能环氧高分子材料基础配方Table 1 Basic formula of high-performance epoxy polymer materials

先将环氧树脂128和单官活性稀释剂C12～C14混合，800 r/min分散5 min，然后加入膨润土；1 200 r/min 分散10 min；然后加入石英粉和碳酸钙，1 200 r/min分散30 min；最后加入改性固化剂分散15 min；脱泡后按照测试要求制备成所需的膜或者样条。

1.3 测试及表征

UV老化实验：按GB/T 14522—2008执行；拉伸强度和断裂伸长率测试：按GB/T 1040.3—2006执行；耐水性测试：30 ℃水中浸泡24 h，观察涂膜；耐碱性测试：30 ℃ Ca(OH)2饱和溶液中浸泡24 h，观察；低温抗裂性：-10 ℃保持4 h，室温放置4 h为一个循环，连续做3个循环后观察涂膜开裂情况，是否有裂纹；抗滑性测试：摆式摩擦系数仪测定BPN值，其中45≤BPN<55，属于普通防滑等级，55≤BPN<70属于中防滑等级，BPN≥70属于高防滑等级；附着力测试：按GB 1720—79(89)执行。

2 结果与讨论

2.1 改性高性能环氧高分子材料涂膜性能

表2是改性高性能环氧高分子材料与国外竞品材料的涂膜外观、耐水性、耐碱性、低温抗裂性、抗滑值和附着力等涂膜性能的测试数据。从结果可以看出，改性高性能环氧高分子材料和国外竞品材料的涂膜外观、耐水耐碱、低温开裂性能均优异，成膜均匀，水泡和碱水浸泡后涂膜无异常。改性高性能环氧高分子材料的附着力明显比国外对比材料自主研发材料优异(级数越低，附着力越好)。在抗滑性上，改性高性能环氧高分子材料的BPN值达到70，属于高防滑等级材料；附着力达到1级。改性高性能环氧高分子材料的抗滑性和附着力都明显超过了国外竞品材料。改性高性能环氧高分子材料的涂膜性能优异，特别是优异的抗滑性和附着力，作为全民健身场地地面材料使用，比国外竞品性能更好，更有优势。

表2 改性高性能环氧高分子材料与国外竞品材料对比Table 2 Comparison of high-performance epoxy polymer materials with foreign competitive materials

2.2 改性高性能环氧高分子材料的UV老化性能

表3和图1是改性高性能环氧高分子材料和国外竞品材料的UV老化测试结果。结果表明，经过改性的高性能环氧高分子材料在UV老化测试中性能下降不明显。经过UV测试15周，拉伸强度仅从14 MPa降低至13 MPa；断裂伸长率从40%降低至30%，虽然都呈现下降趋势，但是下降幅度小，拉伸强度和断裂伸长率能在长时间内保持在初始水平，表明该材料在应用过程中耐候性好，材料强度，材料弹性等能长时间保持，性能稳定。拉伸强度达到13～14 MPa，断裂伸长率稳定在30%～40%，较好地平衡了强度和弹性，适用于地面材料使用，如健身场地等要求一定强度、耐磨和弹性的使用场合。而国外竞品材料的强度和断裂伸长率虽然初始的强度和断裂伸长率和高性能改性环氧高分子差别不大，但其耐候性不佳，性能有明显的衰退，拉伸强度下降了10 MPa，断裂伸长率下降幅度更大，从42%降低至15%，材料的耐候性和稳定性明显不如改性的高性能环氧高分子材料。

表3 改性高性能环氧高分子材料与国外竞品UV老化测试Table 3 UV aging test of high-performance epoxy polymer materials and foreign competitive materials

图1 改性高性能环氧高分子材料与国外竞品UV老化测试性能变化趋势Fig.1 UV aging properties of high-performance epoxy polymer materials and foreign competitive materials

2.3 固化剂用量对改性高性能环氧高分子材料的性能影响

固定环氧树脂128、碳酸钙、单官活性稀释剂的用量不变，随着填料碳酸钙用量从150份增加至250份，探索了不同改性固化剂用量对材料性能的影响，配方及测试结果总结见表4和图2。

表4 不同改性固化剂用量对改性高性能环氧高分子材料性能的影响Table 4 Effect of different amount of modified curing agent on properties of high-performance epoxy polymer materials

由表4和图2可知，保持环氧树脂和C12～C14稀释剂的用量不变，改性固化剂从150份提高至250份，制得的环氧高分子材料拉伸强度和断裂伸长率均没有明显的变化。这是因为，该改性固化剂具有特殊的产生分子结构，既能与环氧树脂产生化学反应，形成交联网络结构；又含有硅氧烷基团，能够和无机填料表面产生化学键结合，应力通过界面有效进行传递，提高环氧高分子材料和无机填料之间的界面结合强度[16-17]；而且改性固化剂自身的硅氧烷基团还能起到自交联的作用[18]。正因为该改性固化剂在配方中的多重相互作用，使得改性环氧高分子材料的交联密度能保持在一个稳定的水平，即使随着改性固化剂的用量变化，环氧高分子材料仍然能保持性能稳定。该改性固化剂在此配方中的容忍度高、容错率高、易于配胶、方便施工。

图2 不同改性固化剂用量对改性高性能环氧高分子材料性能变化趋势Fig.2 Effect of different amount of modified curing agent on properties of high-performance epoxy polymer materials

2.4 填料用量对改性高性能环氧高分子材料的性能影响

表5和图3为不同填料用量对改性环氧高分子材料性能的影响。

图3 不同填料用量对改性高性能环氧高分子材料性能变化趋势Fig.3 Effect of different amount of fillers on properties of high-performance epoxy polymer materials

表5 不同填料用量对改性高性能环氧高分子材料性能的影响Table 5 Effect of different amount of fillers on properties of high-performance epoxy polymer materials

固定环氧树脂128，改性固化剂，单官活性稀释剂的用量不变，随着填料碳酸钙用量从150份增加至250份，改性环氧高分子材料的拉伸强度保持在14～15 MPa波动；断裂伸长率虽然随着填料用量有所降低，但是降低幅度很小，断裂伸长率保持在36%～40%。这是因为改性固化剂中含有硅氧烷基团，能够和无机填料表面产生化学键结合，应力通过界面有效进行传递，提高环氧高分子材料和无机填料之间的界面结合强度[16-18]，克服了常见的因无机填料加入而导致的相分离使得强度下降的问题。该改性环氧高分子材料在保持一定强度要求的前提下可容纳填料量大，可以降低成本，容忍度高，容错率高，易于配方设计，该特点特别适合于作为高速公路材料，全民健身场地地面材料等用量大，对材料成本要求低的场合使用。

3 结论及展望

通过改性固化剂进行改性得到高性能环氧高分子材料，并对改性的环氧高分子材料进行了耐磨耐用性、附着力、防滑性、耐候性等性能研究。附着力(划圈法)1级；抗滑值(BPN)达到70，属于高防滑型。

改性环氧高分子材料耐候性好，UV老化测试15周，强度和断裂伸长率的降低不明显，强度保持在13～14 MPa，断裂伸长率保持在30%～40%，强度和断裂伸长率明显强于国外同类型竞品。

探索了不同改性固化剂用量和不同填料用量对该环氧高分子材料的性能影响，结果表明该环氧高分子材料对固化剂用量以及填料容纳度高，配方设计性强；在很宽的范围内均具有稳定的性能。

该高性能环氧高分子材料耐磨耐用，附着力好，防滑效果佳，耐候性优异，性能稳定，有望作为户外地面材料使用。特别是作为全民健身场地地面材料，具有传统聚氨酯和丙烯酸材料不具备的特点，有望在全民健身领域广泛应用。