水性环氧树脂与甲丁醚化三聚氰胺树脂的合成与应用

摘要

近年来，玻璃纤维复合材料GFRP开始广泛应用于建筑领域。由于其具有施工方便、强度高和质量轻等优点，得到了工程领域的广泛关注。但国内外诸多研究表明，GFRP筋材的耐碱性能并不理想，其在碱性环境中容易受到腐蚀从而影响自身力学性能。水性环氧树脂是一种性能优异的水性涂料，由于其体系中有大量在碱性环境中可以稳定存在的醚键，所以具有耐碱稳定性。不过由于生产原料和方法不同，水性环氧树脂的种类也不尽相同。此外，水性环氧树脂本身难以固化，需要加入固化剂。查阅相关文献知道，醚化三聚氰胺树脂可以作为水性环氧树脂交联剂，使其固化成膜。
　　本文实验合成了性能较好的水性环氧树脂和甲丁醚化三聚氰胺缩甲醛树脂。研究了反应物配比，反应温度、反应时间和pH对甲丁醚化三聚氰胺缩甲醛树脂性能的影响。并对甲丁醚化三聚氰胺缩甲醛树脂与水性环氧树脂的复配成膜进行了研究。结果如下:
　　在催化剂过硫酸钾作用下，聚乙二醇4000和环氧树脂会发生聚合反应生成乳化剂。然后将环氧树脂与合成的乳化剂复配，通过相反转法合成水性环氧树脂。结果表明，聚乙二醇4000和环氧树脂摩尔比为1∶1，催化剂为过硫酸钾，180℃下反应3.5h，合成的乳化剂性能较好。然后在搅拌速度800r/min、水浴温度50℃时合成的水性环氧树脂具有较好的稳定性。
　　采用两步法，使用不同摩尔比的甲醇丁醇同步改性方法合成了3种高度甲丁醚化三聚氰胺缩甲醛树脂。使用单因素法研究了反应物摩尔比，羟甲基化反应的时间、温度和pH，以及醚化反应的时间、温度和pH等对合成树脂性能的影响。优化出了较好的合成工艺:羟甲基化反应阶段，温度为70℃，pH为8.5，反应时间为体系澄清之后20min;醚化反应阶段，醚化温度为50℃，pH为4.5，醚化时间为60min。合成的树脂甲醛含量较低，储存稳定性高。
　　本文将合成的交联剂与实验室自制的水性环氧树脂进行固化交联，对复配的比例、固化温度和固化时间进行了优化，考察了以上因素对涂膜性能的影响。结果表明，固化剂采用甲醇丁醇摩尔比为(8∶2)的甲丁醚化三聚氰胺缩甲醛树脂，交联剂同水性环氧树脂固化交联的质量比例为1∶2，固化温度为200℃，固化时间为10min时，涂膜完全固化，硬度为6H，附着力0级，成膜均匀性良好，具有较好的耐碱性，涂膜性能良好。
　　在上述最佳固化条件下，对GFRP筋表面进行处理，然后进行快速耐碱实验。结果表明经过处理的GFRP筋弯曲强度下降率明显小于未经处理的GFRP筋的弯曲强度下降率，且经过长时间的碱液腐蚀，经过处理的筋材弯曲性能优于未处理的筋材。这说明筋材表面的固化涂层起到了较好的耐碱作用。因此，本文合成的甲丁醚化三聚氰胺缩甲醛树能够作为水性环氧树脂的交联剂。二者复配所成膜具有良好的硬度、附着力、均匀性和耐碱性，可以应用于FRP筋材表面增加筋材的耐腐蚀性能，增加建筑结构的使用寿命。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 FRP筋材

1．2 水性环氧乳液

1．2．1 水性环氧树脂的合成方法

1．2．2 水性环氧树脂的研究进展

1．3 三聚氰胺树脂

1．3．1 三聚氰胺树脂的发展

1．3．2 醚化三聚氰胺树脂的分类及特性

1．4 课题的主要研究内容

2 水性环氧树脂的合成及分析

2．1 引言

2．2 相反转法合成水性环氧树脂的原理

2．3 实验的主要药品与仪器

2．3．1 实验用到的主要药品

2．3．2 实验用到的主要仪器

2．3．3 实验装置

2．4 水性环氧乳液的合成

2．4．1 非离子乳化剂的合成

2．4．2 水性环氧树脂的合成

2．5 水性环氧乳液的性能分析

2．5．1 乳液稳定性能的测定

2．5．2 乳液固含量的测定

2．5．3 乳液稀释稳定性的测定

2．5．4 乳液抗碱稳定性的测定

2．5．5 乳液抗盐稳定性能的测定

2．5．6 乳液的贮存稳定性测定

2．6 本章小结

3 甲丁醚化三聚氰胺树脂的合成与分析

3．1 引言

3．2 实验的主要药品与仪器

3．2．1 实验用到的主要药品

3．2．2 实验用到的主要仪器

3．3 实验原理

3．4 实验步骤

3．5 甲丁醚化三聚氰胺树脂的性能测试

3．5．1 固含量测定

3．5．2 游离甲醛含量测定

3．5．3 羟甲基含量的测定

3．5．4 黏度测定方法

3．5．5 甲醇含量的测定

3．5．6 正丁醇含量的测定

3．5．7 树脂稳定性的测定

3．6 不同因素对树脂性能的影响

3．6．1 反应物摩尔比对树脂性能的影响

3．6．2 羟甲基含量受温度和时间的影响

3．6．3 醚化温度与时间对树脂性能的影响

3．6．4 pH值的影响

3．7 甲丁醚化三聚氰胺树脂的性能测试结果

3．8 本章小结

4 交联剂与水性环氧树脂的复配成膜研究

4．1 引言

4．2 实验的主要药品与仪器

4．2．1 实验使用的主要药品

4．2．2 实验使用的主要仪器

4．3 实验步骤

4．4 测试方法

4．4．1 固化是否完全的判定

4．4．2 成膜均匀性的判定

4．4．3 成膜铅笔硬度的测定

4．4．4 成膜附着力的测定

4．4．5 成膜耐碱性能的测定

4．5 正交设计实验的测定分析结果

4．5．1 正交设计实验的结果统计

4．5．2 正交设计实验结果的数据量化处理

4．5．3 正交设计实验结果效果曲线图

4．6 最佳成膜条件下的固化成膜分析

4．6．1 最佳固化条件下固化成膜的SEM图

4．6．2 最佳固化条件下涂膜的热重分析

4．6．3 单独甲丁醚化三聚氰胺树脂在最佳固化条件下的热重分析

4．7 不同固化条件对成膜性能的影响

4．7．1 交联剂与水性环氧树脂配比对成膜性能的影响

4．7．2 温度对成膜性能的影响

4．7．3 固化时间对成膜性能的影响

4．8 GFRP筋材的固化成膜及耐碱性能测试

4．8．1 固化的条件

4．8．2 GFRP筋材的处理

4．8．3 GFRP筋材的力学性能测试

4．9 本章小结

5 总结与展望

参考文献

附录

个人简历与发表论文

致谢