[发明专利]纳米微晶纤维素复合水性环氧树脂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米微晶纤维素(NCC)复合水性环氧树脂及其制备方法。

背景技术

水性环氧树脂体系主要用作涂料、黏合剂应用于工业及民用领域。随着水性涂料、黏合剂领域需求的大幅增长，其发展前景十分广阔。早在二十世纪70年代国外就开始水性环氧树脂体系的研制，许多产品已进入实用阶段，其性能接近溶剂型环氧树脂的水平。水性环氧涂料具有低的VOC含量、较小的气味、使用安全、可用水清洗等诸多优点，在工业和商业上具有很大的吸引力。水性环氧树脂体系是由含环氧基团的水性环氧树脂组分与含胺基的胺类固化剂组分组成，两个组分均为水分散粒子，固化成膜时为粒子间的非均相成膜，因而成膜物的力学性能、耐液体介质性能较有机溶剂型环氧树脂体系的均相成膜差，有必要通过化学与复合改性的方法从分子水平增强水性环氧树脂体系的综合性能。

NCC是植物纤维基元原纤丝中的结晶区经分离后得到的纳米级晶体，晶体结构高度有序，其机械强度接近于原子的键合力，机械力学性能远远超过目前使用的大多数增强材料。研究表明，NCC增强体即使很低的含量(质量分数≤5％)，也可极大地改变复合物的性能，其质轻、力学性能优异、透光性佳、生物可降解及可再生性等优点也是其它增强材料无法相比的。NCC增强聚合物复合材料的强度高，热膨胀系数低，透光率高，是一种真正的可再生、环境友好、性能优越的新型材料。NCC颗粒由于比表面积大、表面羟基十分丰富、亲水性强，很难均匀、有效地分散到疏水性聚合物树脂基体中。利用NCC表面活性羟基进行化学接枝改性，增加其亲油/疏水性，可达到在有机溶剂和疏水性树脂基体中均匀、稳定分散的效果。但现有的改性方法成本都较高，改性利用效率低，而且在对NCC表面改性的同时也改变了NCC的晶体结构，失去了增强相的作用。利用NCC的亲水性制备复合水溶性或水分散型高分子材料是有别于现有技术的一种非常理想方法。

NCC因亲水性强，无需表面改性可直接作为增强相均匀地混入水性树脂中，是制备纳米复合水性聚合物材料的理想方法。目前已有文献报道用NCC复合单组份的水性树脂体系，其成膜过程只涉及物理成膜过程。水性环氧树脂体系的成膜过程不仅涉及物理成膜，同时还发生环氧树脂与固化剂的化学交联成膜，通过化学反应可使NCC牢固地固定在环氧树脂交联网络结构中。利用NCC表面的活性羟基与环氧树脂分子链段发生分子间氢键，增强NCC与树脂基体界面的相互作用，可有效增强聚合物材料的复合效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米微晶纤维素(NCC)复合水性环氧树脂及其制备方法。该方法利用NCC的亲水性，可与水性环氧树脂直接复合，利用NCC表面的活性羟基与环氧树脂分子链段发生分子间氢键，增强NCC与树脂基体界面的相互作用，可有效增强聚合物材料的复合效果。

本发明的技术方案为：将纳米微晶纤维素水悬浮液通过搅拌和超声法直接添加入水性环氧树脂中，再与胺类固化剂交联固化，获得纳米微晶纤维素复合水性环氧树脂聚合物。

所述的水性环氧树脂固含量为30～50％(质量百分比)，环氧值为0.09～0.18mol/100g。

所述的胺类固化剂为亲水改性的脂肪胺。

所述的纳米微晶纤维素为纳米级球状晶体，直径为20～50nm。

所述的纳米微晶纤维素水悬浮液的质量百分比浓度为1～10％。

所述的水性环氧树脂与胺类固化剂按环氧基与胺基活泼氢的物质的量比0.8～1.2∶1混合；纳米微晶纤维素用量为水性环氧树脂和胺类固化剂固体树脂质量的0.01～10％。

所述的超声法，功率为600W，频率为50KHz，时间为10～60min。

水性环氧树脂与胺类固化剂按环氧基与胺基活泼氢的物质的量比0.8～1.2∶1混合，加适量蒸馏水调节体系黏度，搅拌均匀，涂膜，在室温条件下放置2天后，再于90℃烘箱烘4h，测复合聚合物漆膜性能。复合聚合物的拉伸模量为250～1000MPa(25℃)，拉伸强度为5～20MPa(25℃)，断裂伸长率为2～30％(25℃)，储能模量为0.5～5MPa(70℃)，并且拉伸模量、拉伸强度、储能模量都随着NCC添加量的增加而逐渐提高。

有益效果：

1.本发明利用NCC的亲水性，直接以NCC水悬浮液复合水性环氧树脂，无需对NCC表面改性、干燥处理，技术方法简洁。