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水性環(huán)氧樹脂涂料是一種乳液涂料，其成膜機理與一般的聚合物乳液涂料如丙烯酸乳液的成膜有很大的區(qū)別，同時與溶劑型環(huán)氧樹脂涂料的成膜也不完全相同。一般聚合物乳液涂料的固化成膜為一物理過程，分散相粒子的玻璃化溫度較低,在水分揮發(fā)后就形成緊密堆積的結(jié)構(gòu)，并在毛細管壓力作用下凝結(jié)成膜。在溶劑型環(huán)氧樹脂涂料體系中，環(huán)氧樹脂和固化劑均以分子形式溶解在有機溶劑中，形成的體系是均相的,固化反應(yīng)在分子之間進行，因而固化反應(yīng)進行得比較完全，所形成的涂膜也是均相的。
水性環(huán)氧樹脂涂料為多相體系，環(huán)氧樹脂以分散相形式分散在水相中，水性環(huán)氧固化劑則溶解在水中。水性環(huán)氧樹脂涂料的固化成膜示意圖如圖1所示，將兩個組分混合后的體系涂布在基材上，在比較適宜的溫度條件下，水分蒸發(fā)得很快。當大部分水分蒸發(fā)后，環(huán)氧樹脂乳膠粒子相互接觸，形成緊密堆積的結(jié)構(gòu)，殘余的水分和固化劑分子則處在環(huán)氧樹脂分散相粒子的間隙處。隨著水分的進一步蒸發(fā)，環(huán)氧樹脂分散相粒子開始凝結(jié)，形成更為緊密的六邊形排列結(jié)構(gòu)。與此同時，固化劑分子擴散到環(huán)氧樹脂分散相粒子的界面及其內(nèi)部發(fā)生固化反應(yīng)。該固化成膜機理也可解釋為水性環(huán)氧樹脂體系由水包油的狀態(tài)向油包水轉(zhuǎn)變，與用相反轉(zhuǎn)法配制環(huán)氧樹脂乳液的過程剛好相反。
圖1 水性環(huán)氧樹脂涂料的固化成膜過程示意圖
假定用相反轉(zhuǎn)法配制的水性環(huán)氧樹脂乳液中分散相粒子的平均粒徑為0.5 μm，又設(shè)其密度為1.16 g/mL，環(huán)氧樹脂分子量為1000，并不考慮在水中的溶脹，則可計算出每個環(huán)氧樹脂乳膠粒中含有4.6×l07個分子，所以水性環(huán)氧樹脂體系的固化是由固化劑向環(huán)氧樹脂分散相粒子的擴散速度所決定的，這與溶劑型環(huán)氧樹脂體系相比其固化成膜過程更為復(fù)雜。固化劑分子首先和環(huán)氧樹脂分散相粒子的表面接觸發(fā)生固化反應(yīng)，隨著固化反應(yīng)的進行，環(huán)氧樹脂分散相的分子量和玻璃化溫度逐漸提高，使得固化劑分子向環(huán)氧樹脂分散相粒子內(nèi)部的擴散速度逐漸變慢，這就意味著環(huán)氧樹脂分散相粒子內(nèi)部進行的固化反應(yīng)較其表面的少，內(nèi)部交聯(lián)密度也較低。同時隨著固化反應(yīng)的進行，環(huán)氧樹脂分散相粒子逐漸變硬，粒子之間也很難相互作用而凝結(jié)成膜。因而水性環(huán)氧樹脂涂料同溶劑型環(huán)氧樹脂涂料相比，很難形成均相、完全固化的涂膜。因此，對于水性環(huán)氧樹脂涂料，其固化是否充分主要取決于以下兩個因素。
（1）環(huán)氧樹脂分散相粒子的粒徑 在保證水性環(huán)氧固化劑用量相同的情況下，環(huán)氧樹脂分散相粒子的粒徑較小時，粒子表面的固化劑濃度較為適中，表面固化速度較慢，固化劑分子有足夠的時間擴散到整個環(huán)氧樹脂分散相粒子，使之固化完全，因而可以形成均勻、完全固化的涂膜。反之，分散相粒子尺寸較大時，粒子表面的固化劑濃度相對較高，導(dǎo)致表面快速固化；隨著固化反應(yīng)的進行，環(huán)氧樹脂分散相粒子的表觀粘度不斷增大，其玻璃化溫度也會逐漸提高，使得固化劑分子向環(huán)氧樹脂粒子內(nèi)部擴散速度逐漸變慢，環(huán)氧樹脂粒子內(nèi)部來不及固化而致使涂膜固化不完全。
（2）環(huán)氧固化劑與環(huán)氧樹脂的相容性 提高環(huán)氧固化劑與環(huán)氧樹脂的相容性，有利于水性環(huán)氧樹脂乳液分散后體系的穩(wěn)定性，并且兩者的相容性越好，環(huán)氧固化劑越容易向環(huán)氧樹脂微粒內(nèi)部擴散，有利于固化反應(yīng)的進行。
