环氧树脂是一类具有良好粘接性、耐腐蚀、绝缘、高强度的热固性高分子合成材料，但其韧性差、质脆、易开裂、冲击强度低，因此有必要对其改性以增加韧性。聚氨酯粘结强度大，柔韧性好，机械强度高，它与环氧树脂可形成互穿聚合物网络（ＩＰＮ）。ＩＰＮ结构的强迫互容与协同效应使聚氨酯的高弹性与环氧树脂良好的粘接性有机结合在一起，能取得良好的增韧效果。现用自制的聚氨酯改性环氧树脂，检测其对涂料力学性能和微观强度的影响，旨在获得强度高、附着力大、耐水性好、耐化学稳定性强的涂料。
１ 实验部分
１．１ 主要原料
甲苯二异氰酸酯（ＴＤＩ），武汉市北化学试剂厂；聚乙二醇，沈阳齐德盛商贸有限公司；环氧树脂（Ｅ－４４），沈阳试剂二厂；Ｎ，Ｎ－二甲基苄胺，沈阳试剂二厂；二月桂酸二丁基锡，天津市瑞金特化学品有限公司；碳酸钙，沈阳优特克粉体科技有限公司；邻苯二甲酸二辛酯，沈阳华特化学有限公司；流平剂，沈阳汉唐化学有限公司。
１．２ 主要仪器与设备
数显恒温水浴锅，ＨＨ－４型，常州国华电器厂；扫描电子显微镜，ＳＳＸ－５５０型，日本岛津制作所；傅里叶红外光谱，ＦＴ２０００型，美国尼高力公司；拉伸试验，ＸＬＤ－１ＫＮ型，承德试验机有限责任公司；冲击试验机，ＸＪＪ－５０型，长春试验机厂。
１．３ 聚氨酯预聚体的制备
在三口烧瓶中加入一定量的聚乙二醇，抽真空加热至１１０℃脱水４～５ｈ，冷却后按比例（ＮＣＯ∶ＯＨ＝２∶１，质量比）加入ＴＤＩ和二月桂酸二丁基锡，在一定温度下不断地搅拌，反应一段时间后，即得端－ＮＣＯ基聚氨酯预聚物。
１．４ 涂料的制备
将一定量的环氧树脂装入三口烧瓶中，先加入一定量的聚氨酯预聚体，不断搅拌，控制反应时间和温度。然后按顺序加入流平剂、碳酸钙和固化剂，均匀搅拌制得改性涂料。配方见表１。
２ 结果与讨论
２．１ 正交设计实验
水平因素见表２。
２．２ 正交实验结果
由表３可知，通过正交实验的极差分析，各因素对涂料的平均冲击强度和平均拉伸强度的影响顺序分别是：Ａ＞Ｄ＞Ｂ＞Ｃ，Ｃ＞Ｄ＞Ａ＞Ｂ。通过这两种性能得出的最佳方案分别是：Ａ２Ｂ２Ｃ２Ｄ２，Ａ２Ｂ１Ｃ２Ｄ２．。综合考虑它们的影响，选定聚氨酯改性环氧树脂涂料的最佳方案为Ａ２Ｂ２Ｃ２Ｄ２。即聚氨酯含量１５％，固化剂含量１５％，反应时间６０ｍｉｎ，反应温度７０℃。
２．３ 聚氨酯的加入量对涂料力学性能的影响
如图１、图２所示，在一定范围内，随着聚氨酯加入量的增加，涂料的拉伸强度和冲击强度都逐渐增大。但聚氨酯加入量超过１５％后，拉伸强度和冲击强度急剧下降，原因可能是继续增加聚氨酯的含量，复合体系中聚醚比例增大，由于聚醚与环氧树脂的相容性较差，使得聚氨酯与环氧树脂的相容性也变差，导致了聚氨酯／环氧树脂聚合物力学性能的下降。
２．４ 红外光谱分析
由图３可以看出，－ＮＨ的吸收振动峰在３４００ｃｍ－１左右处，２９６２．８４ｃｍ－１的峰值表示Ｃ－Ｈ吸收振动峰，２３４５．８５ｃｍ－１处的峰值表示－ＮＣＯ存在，１７１９．２４ｃｍ－１处的峰为－Ｃ＝Ｏ的伸缩振动峰，１０９８．０２ｃｍ－１处有醚键Ｃ－Ｏ－Ｃ伸缩振动的强吸收谱带，说明－ＮＣＯ与－ＯＨ确实反应生成了新的－ＮＨＣＯＯ－基团（端－ＮＣＯ基聚氨酯预聚物）；８１６．２４ｃｍ－１处出现的强吸收峰为环氧基的特征峰，说明聚氨酯与环氧树脂已经发生反应。
２．５ 扫描电镜分析
图４中（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）４幅图依次是聚氨酯加入量为０％、１０％、１５％、２０％的聚氨酯／环氧树脂涂料试样的冲击断口形貌（放大倍数（ａ）为２０００倍；（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）均为１０００倍）。由图４（ａ）可以看出，未改性环氧树脂涂料受到冲击时，断面较为平滑，断裂口尖锐，说明其冲击韧性较差，呈典型的脆性断裂特征。由图４（ｂ），（ｃ），（ｄ）可知，改性后的环氧树脂涂料的冲击断面呈现明显的贝壳纹理，并产生许多根须状分枝，且断裂条纹趋向分散，这是试样发生剪切屈服所致，表现出比较明显的韧性断裂特征。因此，可以看出聚氨酯／环氧树脂涂料的韧性与未改性的环氧树脂涂料相比，有明显的提高。原因是聚氨酯与环氧树脂形成互穿网络结构，改性后的环氧树脂涂料体系中交联点增多，受到外力时有利于应力分散，要想破坏这种结构就需要更大的应力或能量。
２．６ 涂料的主要性能指标
涂料的主要性能指标表见表４。
３·结论
（１）聚氨酯改性环氧树脂涂料的最佳制备条件是：聚氨酯加入量１５％，固化剂加入量１５％，反应时间６０ｍｉｎ，反应温度７０℃。
（２）－ＮＣＯ与－ＯＨ反应生成了－ＮＨＣＯＯ－基团，并且该基团和环氧树脂发生了反应。
（３）未改性环氧树脂涂料的冲击断面呈典型的脆性断裂特征，而聚氨酯／环氧树脂的冲击断面呈明显的韧性断裂特征，表明改性的ＥＰ涂料韧性得到提高。
（４）制备的改性涂料冲击强度和拉伸强度都大幅度地提高，并且其附着力大、耐水性好、耐化学稳定性强。
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