Введение: водная эпоксидная смола — учим эту «масляную акулу» эпоксидного мира «плавать»
Эпоксидные покрытия — короли в сфере антикоррозионной защиты: стойкость к соляному туману >3000 ч, адгезия >8 МПа, отличная химическая стойкость — но они на основе растворителей и не растворяются в воде. Главная задача при переводе эпоксидных материалов в водную форму: стабильно диспергировать полностью гидрофобную эпоксидную смолу и гидрофобный аминный отвердитель в воде, и при этом после испарения воды обеспечить их нормальную реакцию сшивания с образованием плотного водонепроницаемого покрытия. Решение химиков: присоединить к молекулам эпоксидной смолы и аминного отвердителя гидрофильные фрагменты PEO (полиэтиленоксида) — словно надеть на масло водную оболочку — фрагменты PEO взаимодействуют с водой через водородные связи, обеспечивая стабильную суспензию частиц в воде.
Водоразбавляемые эпоксидные покрытия получают путем введения гидрофильных фрагментов (PEO/PPO — полиэтиленоксид/полипропиленоксид — неионогенные гидрофильные) в молекулы эпоксидной смолы и/или аминного отвердителя — что позволяет системе самоэмульгироваться в воде с образованием стабильной субмикронной дисперсии эпоксид/амин — после нанесения вода испаряется — частицы эпоксида и амина сливаются — протекает реакция сшивания — образуется трехмерная сеть — двухкомпонентная водоразбавляемая система промышленных антикоррозионных покрытий, сочетающая высокие антикоррозионные свойства эпоксидной смолы (стойкость к соляному туману >1500–2500 ч) и экологичность и безопасность водоразбавляемых красок (VOC <50–100 г/л).
I. Сравнение двух технологических направлений водных эпоксидных материалов
| Маршрут | Принцип | Размер частиц (μm) | Водостойкость | Стойкость к соляному туману (ч) | Текущее положение |
|---|---|---|---|---|---|
| Тип I: самоэмульгирующаяся эпоксидная смола | Химическое прививание гидрофильного PEO к молекуле эпоксидной смолы — самоэмульгирование при добавлении воды | 0.5-2 | Средняя-хорошая | 1500-2500 | >70% рынка — наиболее распространённый |
| Тип II: внешне эмульгируемая эпоксидная смола | Обычная эпоксидная смола + внешний эмульгатор — эмульгирование при высокоскоростном диспергировании | 2-10 (грубые) | Плохая (остаток эмульгатора) | 500-1000 | <10% — выводится из обращения |
| Водный отвердитель на основе аминного аддукта | Алифатический амин + небольшое количество предварительной реакции эпоксидной смолы — аддукт | После смешивания 0.5-3 | Хорошая | В сочетании с Типом I — >1500-2500 | >60% доли рынка |
| Водный самоэмульгирующийся аминный отвердитель | Прививание гидрофильного PEO/PPO к молекуле амина — самоэмульгирование | После смешивания <0.5 (самые мелкие) | Хорошая-отличная | В сочетании с Типом I — >2500-3500 | 15-20% — высокий сегмент |
Часто задаваемые вопросы
Q1: Созревание (Induction) водного эпоксида — почему после смешивания A+B необходимо выдержать >30 мин перед нанесением?После смешивания A (эпоксидной эмульсии) и B (водного аминного отвердителя) водного эпоксида — требуется время созревания — чтобы молекулы амина предварительно прореагировали с эпоксидными группами на поверхности эпоксидных частиц — израсходовав часть высокоактивных свободных аминов — снизив риск побеления амина (непрореагировавшие свободные амины мигрируют на поверхность — реагируют с CO2/H2O из воздуха — образуя белые пятна карбамината — что серьезно ухудшает межслойную адгезию). Одновременно — при созревании эпоксидные и аминные частицы начинают предварительное слияние — размер частиц увеличивается с 0,5–2 мкм до 2–10 мкм — что указывает на начало сшивки. Недостаточное время созревания (60–90 мин) — вязкость смеси возрастает — приближается к пределу Pot Life — затрудняется распыление. 30 мин (25°C) — оптимальное окно созревания для большинства систем водного эпоксида.
Q2: Почему время жизнеспособности (Pot Life) водной эпоксидной смолы короче, чем у растворимой в растворителе, — но вязкость растет круче? Время жизнеспособности водной эпоксидной смолы обычно составляет 2–6 ч (25 °C) — что короче, чем у систем на основе полиамидов, растворимых в растворителе (>8 ч) — причина в наложении двух факторов: (1) наличие воды — вода является полярным растворителем — ускоряет реакцию раскрытия кольца между амином и эпоксидом (водородные связи молекул воды помогают активировать эпоксидную группу — снижают энергию активации реакции); (2) постоянное испарение воды — повышает твердое содержание системы — увеличивает концентрацию частиц — повышает частоту столкновений между частицами — ускоряет скорость сшивания — повышает вязкость. Именно поэтому кривая вязкости от времени для водной эпоксидной смолы круче — в первые 2–3 ч вязкость растет медленно — после 3–4 ч резко возрастает — к 4–6 ч распыление может стать невозможным. Ключевые моменты управления нанесением: контролировать объем одной замеси (не более чем на 2 ч распыляемого объема — малыми партиями многократно) — снижать температуру окружающей среды при нанесении (<25 °C — замедляет реакцию — продлевает время жизнеспособности).
Q3: Водостойкость водных эпоксидов — почему самоэмульгирующие гидрофильные цепи PEO снижают водостойкость покрытия — как компенсировать?У эпоксидов типа I с самоэмульгирующими привитыми гидрофильными цепями PEO (-CH2CH2O- — сильно взаимодействуют с водой через водородные связи) после высыхания покрытия — они остаются внутри покрытия — становятся скоростной магистралью для проникновения воды — молекулы воды быстро диффундируют вдоль сегментов PEO — снижают сопротивление покрытия — ускоряют коррозию. Стратегии компенсации: (a) минимизация содержания PEO — достаточно для самоэмульгирования (10%) — уменьшение каналов проникновения воды; (b) максимизация плотности сшивки — плотная сшитая сеть блокирует цепи PEO — ограничивает их подвижность — уменьшает взаимодействие с водой; (c) гидрофобная модификация — присоединение гидрофобных алкильных групп (C12-C18) к концу PEO — препятствует проникновению воды вдоль PEO — при сохранении способности PEO к самоэмульгированию — это наиболее сбалансированное решение на данный момент.
См. также / Связанные материалы
Резюме
Водные эпоксидные покрытия — гидрофильная модификация посредством PEO/PPO — обеспечивают самоэмульгирование эпоксидной смолы и аминного отвердителя в воде — система Type I самоэмульгирование + водный аминный аддукт является текущей основной системой (>70% рынка) — в ущерб части водостойкости (солевой туман 1500–2500 ч против >3000 ч у растворимых систем) достигается безопасность и экологичность (VOC 30 мин — устранение свободных аминов), управление жизнеспособностью (Pot Life) (2–6 ч — малыми порциями, многократно), контроль испарения влаги (медленно сохнущие коалесценты — против игольчатых пор и потеков). Кэсинь Новые Материалы предоставляют клиентам полную поддержку по водным эпоксидным рецептурам и выбору водных аминных отвердителей.