环氧树脂灌浆材料水性化的研究途径

摘要：对环氧树脂水性化的制备方法进行了扼要综述，提出了环氧树脂灌浆材料的水性化配方的指导思想，侧重介绍了水性环氧树脂灌浆材料的研究途径及目前水性环氧树脂灌浆材料有待改善的问题
随着科学和技术的发展以及人们新的理念和法规意识,对环保提出了愈来愈高的要求。灌浆材料向高固体分和水性化方向发展已成为灌浆界的共识。其中环氧树脂灌浆材料是处理混凝土裂缝和基础防渗补强用得较多的灌浆材料之一, 众所周知,与溶剂型环氧灌浆材料相比,水性环氧灌浆材料具有诸多优点,如低的挥发、较小的气昧、使用安全、可用水清洗等。符合环保要求，环氧树脂灌浆材料的水性化将有很大的发展前景，值得进行研究和应用。
1环氧树脂灌浆材料的水性化配方指导思想
环氧树脂灌浆材料水性化是指将环氧树脂以及稀释体系以微粒、液滴或胶体形式分散在水中而配得稳定的分散体系。因此在配方设计中必须考虑如下几点：
（1）所用环氧树脂以及稀释体系是水性的或水乳性的；
（2）固化剂是水性的或自乳化性的；
（3）可室温或低温固化；
（4）具有良好的可灌性
（5）力学性能满足工程要求。
2水性环氧树脂灌浆材料的研究途径
根据所用环氧树脂物理状态的不同可将水性环氧树脂灌浆材料分成以下两类 （可以往如下几个方面进行研究）。
2.1 水性（或自乳化）环氧固化剂型环氧树脂灌浆材料体系
该体系由低分子液体环氧树脂及其稀释剂、水性（或自乳化）环氧固化剂和水组成。低分子液体环氧树脂通常为双酚Ａ型液体树脂，并采用各种活性稀释剂来调节环氧树脂的粘度和固化后涂膜的交联密度。这类体系中的环氧树脂一般预先不乳化，而由水性（或自乳化）环氧固化剂在使用前混合乳化，因而这类固化剂必须既是交联剂又是乳化剂。水性（或自乳化）环氧固化剂合成时是以多胺为基础，通过在其分子中引入具有表面活性作用的分子链段，使其成为两亲性分子，能够很好地分散或溶解在水中，从而对低分子量的液体环氧树脂具有良好的乳化作用。
该体系通常为零VOC体系。体系采用固化剂来乳化液体环氧树脂，使用时可加水来调整粘度。
2.2 乳化环氧型环氧树脂灌浆材料体系
该体系由低分子液体环氧树脂乳液、环氧固化剂和水组成。制备环氧树脂乳液必须要求特殊的高速分散设备，并且在加热和添加少量溶剂的条件下才能制得粒径较小、粒子分布较窄的乳液。同时要得到稳定的环氧树脂乳液，需加入乳化剂，由于环氧树脂已预先配成乳液，不需要固化剂再对环氧树脂进行乳化，因而固化剂只需具有交联剂的功能，但固化剂必须要与环氧树脂乳液形成均匀的体系。该体系的粘度可以用水来调整。
2.3水性环氧型环氧树脂灌浆材料体系
该体系由水性环氧树脂、环氧交联剂和水组成。环氧树脂水性化就是在环氧树脂的分子上引入各种强亲水性基团，使之具有水溶性或自乳化功能。在引入这种链段后，交联形成的网链分子量有所提高，交联密度下降，并且亲水链段多为含醚键的碳链，所以对固化后涂膜有一定的增韧作用。该体系的粘度也可以用水来调整。
3环氧树脂水性化的制备方法
大多数环氧树脂都不溶于水，只溶于芳香烃及酮类等有机溶剂。有机溶剂易燃、易爆、有毒、污染环境等缺点给储运和施工带来诸多不便。随着环保意识的增强，以水为溶剂或分散介质的水性环氧树脂不仅是一种环保型材料，而且可在潮湿的或新浇注的水泥混凝土表面施工，有很好的附着力，可封闭混凝土毛细管水汽，可防止泛碱现象。可增加混凝土的柔性，提高抗折强度和抗渗性。对施工环境要求不高，清洗方便，储运和使用安全，因而成为环氧树脂应用的发展方向之一。
水性环氧树脂可分为水乳型环氧树脂胶液（环氧树脂水乳液）和水溶型环氧树脂胶液（环氧树脂水溶液）两类。其制备方法有三种，即非水溶性环氧树脂借助于强烈的机械分散和乳化剂作用形成稳定的水乳液；对环氧树脂改性，使它具有水溶性或水可分散性；合成水溶性环氧树脂。
3.1水乳型环氧的制备
水乳型环氧树脂是以水为溶剂，将现有的双酚A型环氧树脂和该性环氧树脂，使用适当的表面活性剂，借助于超声波振荡、高速搅拌或均质机乳化等手段可使环氧树脂以微粒状态分散在水中，形成稳定的水乳液。表面活性剂是配制环氧树脂水乳液的关键组分。主要有阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂、聚合物表面活性剂。用机械法制备水性环氧树脂乳液的优点是工艺简单，所需乳化剂用量较少，但乳液中环氧树脂分散相微粒尺寸较大，粒子形状不规则且尺寸分布较宽，所配得的乳液稳定性差，粒子之间容易相互碰撞而发生凝结现象。当然提高搅拌分散时的温度可以促进乳化剂分子在环氧树脂微粒表面更为有效地吸附，使得环氧树脂微粒能较为稳定地分散在水相中。
3.2水性化改性环氧树脂
通过适当的方法在环氧树脂分子链中引入羧酸、磺酸等功能性基团，中和成盐后的环氧树脂就具备了水可分散的性质。常用的改性方法有功能性单体扩链法和自由基接枝改性法。功能性单体扩链法是利用环氧基与一些低分子扩链剂如氨基酸、氨基苯甲酸、氨基苯磺酸等化合物上的胺基反应，在环氧树脂分子链中引入羧酸、磺酸基团，中和成盐后就可分散在水相中。自由基接枝改性法是利用双酚A环氧树脂分子链中的亚甲基活性较大，在过氧化物作用下易于形成自由基，能与乙烯基单体共聚，可将丙烯酸、马来酸酐等单体接枝到环氧树脂分子链中，再中和成盐后就可制得能自乳化的环氧树脂。
3.3水溶性环氧树脂
要使环氧树脂具有水溶性，必须在其分子中含有足够的羟基、羧基、氨基、酰氨基、醚基等强亲水性基团。所需亲水基团的最低数量与亲水基团的极性大小、树脂的结构以及平均相对分子质量等有关。树脂的相对分子质量小则水溶性好，因为相对分子质量高的分子在水中的扩散速度慢，同时也由于相对分子质量高的溶液粘度大，更增加了分子运动的阻力。相对分子质量分布宽时水溶性好，因为分子间的互溶效应常有利于水溶性的改善。但是平均相对分子质量小、分布宽的环氧树脂固化物的性能相对要差，所以应在保证树脂水溶性的前提下尽量使树脂的相对分子质量大一些、分布窄一些，以提高固化物的性能。树脂的结晶度高时水溶性差，这是由于晶体分子间的结合力强，使其难以溶解。氢键的存在会使树脂与水分子发生缔合，从而会改善其水溶性。因此在进行水溶性环氧树脂的分子设计和工艺设计时，应综合考虑以上影响水溶性的因素。
目前，自身具有水溶性的环氧树脂多半是多元醇的缩水甘油醚。它们是由多元醇与环氧氯丙烷在碱的作用下合成的。其分子链上含有羟基、醚键等，因而具有水溶性。
其他类型水溶性环氧树脂还有二羧酸二缩水甘油酯和海因环氧树脂等。
3.4水性环氧固化剂的品种
水性环氧固化剂大多为多乙烯多胺，如二乙烯三胺、三乙烯四胺的改性产物.包括酰胺化多胺、聚酰胺和环氧-多胺加成物，通过在多乙烯多胺分子中引入非极性基团，改善了它们与环氧树脂的相容性。酰胺化多胺用作水性环氧树脂的固化剂，由于酰胺化的多胺具有乳化剂的功能，因而低分子量的液体环氧树脂不需要预先乳化，而由酰胺化的多胺在施工前混合乳化，具有施工性能好、适用期长等优点。因此酰胺化的多胺及其该性固化剂在水性环氧中得到广泛的应用。
4开发水性环氧树脂灌浆材料有得改善的问题
水性环氧树脂灌浆材料具有对环境无污染，对许多基材包括潮湿基材都有良好的粘接力，操作安全方便等诸多优点，有很好的应用前景，但在开发和实际应用中还有不少问题有得改善。
灌浆过程中，水如何尽可能的排除，在低温及潮湿和有水条件更需要解决好。
（2）水的冰点为零摄氏度，在小于零摄氏度水性环氧树脂灌浆材料的稳定性问题有待改善。
（3）水性环氧树脂灌浆材料的固化体系在低温下固化非常缓慢，这也有待改善。
令人高兴的是，目前我国许多科研单位已开始研究水性环氧树脂灌浆材料，人们在水性环氧树脂、以及与之配套的固化体系、该性助剂方面和灌浆工艺条件的合理选择。已取得良好的改善效果。