环氧基复合涂料的设计与性能研究

论文总字数：22014字

目 录

第一章 绪论 5

1.1环氧树脂的历史以及发展 5

1.2环氧树脂近年来在涂料中的运用以及性能改进的研究 5

1.3涂料的分类 6

1.4本论文的研究内容及思路 8

第二章 涂料的设计以及样品的制备 9

2.1实验的试剂仪器 9

2.2 试验前的处理 10

2.3 实验涂料的配方设计 11

2.4制备环氧树脂涂料的方法 12

2.5 涂料的涂覆 12

2.6纯环氧树脂样品的展示 13

第三章 环氧树脂涂料摩擦性能和拉伸性能的测试 14

3.1环氧涂料摩擦测试样品的制备 14

3.2摩擦实验的测试以及表征分析 15

3.3 摩擦实验试样的表面表征分析 15

3.4摩擦实验的分析 18

3.5涂料各组分含量的设计及配制流程 22

3.6环氧基粘结涂层的力学性能表征及分析 22

3.7本章小结 25

第四章 环氧树脂涂料耐热性能的测试 26

4.1环氧涂料耐热测试样品的制备 26

4.2耐热性能测试及分析 27

4.3本章小结 31

第五章 结论 32

参考文献 33

致谢 35

第一章 绪论

1.1环氧树脂的历史以及发展

环氧树脂英文的全称为epoxy resin，简写是EP，这种被运用到实践中最常见的高聚合的复合材料是上个世纪30年代被一个名为Perr Sastan和另一个名为C O Grenlee的两个人合成的，并在上个世纪的四十年代由美国的一家工厂率先在全球进行了大规模的工业生产^[1-3]。环氧树脂因其非常良好的性能，如物理化学稳定性，吸附能力，黏接性不导电性和高的加工强度等等，很大范围内的被粘结剂领域，涂覆涂料的领域甚至复合材料范畴应用。

大部分情况下纯的环氧树脂是不溶于水的，但是可以溶解在有机的溶剂中，如果想把环氧树脂溶解这个过程基本上都需要很高的成本，并且溶解以后无法控制其挥发，就会造成对生态的破坏甚至造成人员的中毒事件。后来环氧树脂通过了近50年的改进和改良，水性环氧树脂应育而生，这种环氧树脂不但基本不挥发毒性大大降低，而且大部分的特性也有了显著地改善。

我们阐述的这种环氧树脂，固化的温度更加的便于操作，它可以在正常的温度下及非高温加热即小于100摄氏度的情况下完成固化。与传统的环氧树脂做一个对比，新型的环氧树脂具有很多优点^[4]：第一点做为二十一世纪最重要的主题环境保护，新型环氧树脂更加切合主题，因为它可以以水做为溶解，减少了有机溶剂的使用就是增加安全保障。第二点对于传统的环氧树脂来说，清洁成了一个很大的问题，需要很多的有机溶剂加及高温以配合，这就造成了诸多的不便，新型环氧树脂可以在常温下溶于水中，可控性显著增强。第三点传统的环氧树脂很难直接和我们常用的建筑原料水泥进行直接的协同应用，而对于新型的水性环氧树脂来说这是它最基本的能力，这也就变向的扩大了环氧树脂的应用范围。第四点固化的可操作性的提高上文的整体性的优点概括我们已经提过，但需要着重提出的一点就是新型环氧树脂可以在非干燥的气氛进行固化。第五点新型环氧树脂更加易于与其他的聚合物发生协同作用。

水性环氧树脂与传统环氧树脂相比下我们提出了五点优势^[5]，其优势相反的也会给它带来无法避免的缺点：第一点新型环氧基涂料已经可以脱离有机溶剂，而与水进行配合，而水拥有比较高的比热容，在叫潮湿和低于室温的环境中，溶剂的蒸发就会放缓，因此就会给干燥带来影响，与此同时溶剂蒸发时所需的热能怎么来提供这就是一个问题。第二点溶剂的张力较有机溶剂提升很多，这对涂覆时对基体的表面浸润有很大影响，当基体表面有油性物质的时候这种不良的影响就会放的更大，因此我们需要额外的添加剂来帮助对基体的浸润。第三点新型水性环氧基涂料与溶解在有机溶剂中的环氧树脂相比，新的水性环氧基涂料更容易汇聚，而传统的环氧树脂有较好的稳定性。第四点对于水和有机溶剂相比较，水溶液更容易发生腐蚀的问题。

1.2环氧树脂近年来在涂料中的运用以及性能改进的研究

在二十一世纪的今天我们并没有能把环氧树脂所有的缺点都通过改性的方式完全弥补，不过大部分的问题我们都可以通过改性的方法解决。列举一些例子，我们可以通过对环氧基涂料的基本配方的选材中入手^[6-7]。选用不同种类的固化剂，对乳化剂和稀释剂进行合理的改性，固体添加物以及液体添加物的正确选用，找到底料以及添加物的合理配比，这些手段都可以提高涂料本身的特性。

一在建筑领域的应用，这种涂料主要用于一些特殊地点的墙体表面以及地表的涂覆。包括在日用化工产品厂、可食用的产品加工厂、精密仪器存放地点、医用军用实验场地这些个地方都需有着非常洁净的环境甚至达到绝对的无菌无毒，新型的水性环氧涂料非常利于做这些地点的表层涂料。其基本可以达到无色无味的程度，并且清洁起来也非常的方便。对于重建工作也有着积极地影响，翻新重建对新装修的其他涂料不产生影响。对于相对密闭，通气不好的地点，由于涂料本身有毒又难以挥发，这些地点仍然可以选用新型水性环氧基涂料。

二在腐蚀方面的应用，环氧基涂料防腐的工作在国内外都受到了广泛的关注。市面上可见的许多防锈漆都能找到它的影子，在许多欧美等发达国家和地区新型的水性环氧基涂料成为了防腐的重中之重，在中国新型的水性涂料也得到了广泛的认可发展迅速。

三在绝缘方面的应用，绝缘涂料已经成为大众日常生活中不可或缺的产品，而新型的水性环氧基涂料更是同类产品中的佼佼者。因其绝缘性能好，理化性质稳定，耐腐蚀性强，凝固时间短，对于恶劣环境都有一定的抵抗作用^[8]，已经备受青睐。

四在防水防渗方面的应用，传统的环氧树脂很难直接和我们常用的建筑原料水泥进行直接的协同应用，而对于新型的水性环氧树脂来说这是它最基本的能力^[9]，这也就变向的扩大了环氧树脂的应用范围。不仅如此，新型的水性环氧基涂料与水泥的协同作用，可以缩短凝固所需的时间，并提高其耐用性，提高水泥的力学性能，便于使用，可以扩大水泥的利用条件，使得水泥能够在更苛刻的条件下完成固化。在各种水电站，江底隧道，等国家重点水电项目的修理，建设中广泛应用。

五在核领域也有一定的应用，水代替了传统的有机溶剂^[10]，使得水性环氧基涂料得意以水做为溶剂。相比于有机溶剂，水无色无味，不对周围的生态环境造成污染，并且对于水的来源，以及水的运输以及排放这些过程都优于有机溶剂。并且新型的水性环氧基涂料最终形成的涂层可以一定程度上的阻止核污染，并且如前文提到的它的建筑应用的优异特性可以适合翻新、重建、再建。许多核设施都被鼓励应用水性环氧基涂料。

环氧基涂料经历了80多年的发展^[11]，在许多方面的性能改进都在提高。越来越多的新型环氧基涂料出现在人们的日常生活中，出现在自然环境条件苛刻或人为环境要求较高的场所地点，成为了不可或缺的成熟产品。越来越多的人投身于对环氧基涂料的研究与研发，发展方向如此广泛，对社会经济的发展起到了积极作用，提高人们生活的质量。

环氧树脂耐热、韧性、耐磨擦性的改性研究：环氧树脂虽然机械性能优异，应用广泛，但是也存在着缺陷，比如环氧树脂若高度交联会使韧性下降^[12]，如果交联度减少、韧性提高，环氧树脂的耐热性又会受到影响，所以国内外学者一直对环氧树脂进行着改性研究。目前比较常用的改性方法有弹性体改性热塑性树脂改性、无机纳米材料改性以及互穿网络结构改性环氧树脂等。弹性体改性环氧树脂能够提高环筑树脂的韧性。在环氧树脂固化过程中弹性体从基体中析出，和基体形成两相结构，当基体受力时，弹性体能够诱发环氧树脂的耗能过程，并且能够钝化或者终止基体内部裂纹的扩展^[13-18]，从而提高环氧树脂的韧性。由于弹性体对环氧树脂的改性存在耐热性的制约，所以年代后期人们开始对热塑性树脂改性环氧树脂进行研究。对环氧树脂进行改性的热塑性树脂具有较高的模量和耐热性^[19]，并且与环氧树脂具有良好的相容性，改性后的环氧树脂具有更加优异的性能，耐热性也不会受到影响。常用的固体润滑耐磨材料主要指具有层状结构的材料，如二硫化银，石墨等无机物和用于以上的高温润滑材料，其中包括氧化物、单质硫化物、硒化物、氟化物^[20]等。具有层状结构的材料，剪切强度低，容易粘附在基材表面上，其他无机物作为固体润滑材料具有高粘着强度和低摩擦系数，在对偶材料表面上易形成转移膜，从而起到了减摩耐磨作用，这些材料除了作为主要成分单独使用外，还能同其他材料混合使用制成复合材料。

1.3涂料的分类

在国外，防氧化涂敷材料的研究很早便吸引了研究人员的重视。从六十年代初期开始，在美国、日本、德国等发达国家，多利用微晶玻璃和难熔金属氧化物以及成分复杂的混合物制成的耐高温防氧化涂料，以防止在热处理过程中钢件表面氧化损耗。

而我们国家的热处理防氧化涂料^[21]的发展开始比较迟。就目前而言，国内的一些具有规模的炼钢商家都先后于此进行研发。如：武汉钢铁集团研发出应用于硅钢板胚高温热处理的涂覆材料，取得显著的防氧化效果，而且取得我国的专利，通过覆盖这种涂料进行热处理后的氧化程度减少到了百分之七十至百分之九十之间。包钢集团研发了适合低碳钢胚的高温热处理防氧化涂覆材料，并且减少高温炉内的氧化达百分之四十至百分之六十之间，这个涂料配方也经由我国有关单位确认，能够降低钢铁氧化损失率达百分之六十至百分之八十。然而，就目前的研究现状而言，国内、外对于钢铁高温热处理防护涂层依旧还有较大的改善提高范围，我们还应该尽力探究和研发。

（一）有机 硅酸盐涂料：

它是玻璃材料和耐热树脂基材料的有机聚合物。通常耐热聚合物在400℃以上温度是耐热会很困难。通过添加耐热无机材料添加物，有机无机结构相结合的方法，提高了涂层耐热和防氧化性。以400℃为界限，在低温时以有机结构防氧化，高温时以耐热的无机结构防氧化。国外一些国家已经准备好气温适中的功能性有机硅涂层。如日本，硅酮树脂，环氧树脂硅酮树脂，改性醇酸树脂粘合剂的硅氧烷30％〜50％，300〜500℃的玻璃粉末的20％至40％，和10％的玻璃填料的热通量的5％由耐热涂层，在600℃/ 100 h时涂层保持100％的粘附条件，在高温热解炉600〜700℃的热交换器和各种保护涂层的油的表面温度。 Thumalox240绿色有机硅树脂玻璃涂料公司美国丹姆普尼为内陆钢铁公司反射炉注射器准备，在480至760℃使用多年，良好的防护性能，耐热性，耐化学腐蚀和温度变化。由高的粘合强度制备的有机硅酸盐涂料，可用于长期抗金属的高温氧化，但它仅适用于低于800℃的防氧化剂。

（二）玻璃陶瓷保护涂料：

它一般由珐琅料和硅酸盐玻璃材料制成。在某些时候，废料玻璃也可以用作起始材料。高，中，低熔点硅酸盐玻璃材料的适当比例可以得到更好的高温保护涂层，在可熔玻璃料颗粒的加热过程软化比其他更早，且耐火颗粒粘合在一起，逐渐烧结致密。在升高的温度下，固体的玻璃材料，形成一个稳定的，不流动的致密的玻璃涂层，起到隔绝气体，以保护钢材的目的。两性氧化物可以用来提升玻璃珐琅涂料料的软化温度与粘度，减小涂层的热膨胀的系数。另外，还可以加入其他耐高温填料，可以在高温下减少钢铁工件的氧化反应从而得到防护。故而高熔点氧化物如氧化镁，经常被添加到涂料充当助熔的物料。

1. 无机玻璃体防氧化涂层：

钢铁高温热处理过程中，无机类防氧化涂层从沉积的固态慢慢地变成膏剂状，直到变作熔融状，并且在表面产生紧密的薄膜，对钢铁表面的氧化反应有非常好的屏蔽效果。此种涂覆材料常常在短期高温热处理中被采用以达到防止氧化的目的，故而易剥离功效是此种涂料所不可或缺的。

玻璃的主体通常是由铝酸盐、硅酸盐以及硼酸盐这三类组成。无机玻璃体防氧化涂覆层包含两种涂层，一种是用热熔之后的玻璃当作基础所制成珐琅涂覆层，另一种是用玻璃型成物作主料的氧化物的陶瓷涂覆层。对于无机玻璃防氧化涂覆层在钢铁热处理过程保护的使用，前苏联和美国研发了很多配方都对其进行了简要描述。且通过分析近些年的涂料发展可以看出，美国、日本等发达国无机玻璃体防氧化涂层的发展迅速^[22]，利用不同改良方法大幅度增加涂覆层的物理性能和工作条件性能（如耐高温下）。

1.4本论文的研究内容及思路

综上所述，由于环氧基涂料制备方法简便，胶黏剂材料较常见，价格低廉，应用范围广泛，而得到青睐。但每种涂层配方和工艺均有一定的使用范围，同时兼顾涂层减摩耐久性和承载能力的研究鲜有报道。

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