环氧树脂固化技术及其固化剂研究进展

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传统的脂肪胺固化剂由于毒性较大已逐渐被淘 汰, 目前常用 T 31 改性胺固化剂, 但其固化制品脆 性较 大, 冲击强度 偏低。袁劲松 等[ 9] 合成了新 的 T cs 固化剂, 其固化性能与 T 31相当, 但在冲击强 度方面有很大的提高。 3 微波固化体系
近 10 年来, 微波作为材料制备过程中的能量 来源, 倍受关注。与传统供热相比, 微波具有传热 均匀, 加热效率高, 易于控制的优点。关于微波控 制的有机物反应体系已有大量文献报导[ 10~ 14] , 但 在其化学反应过程中是否存在 # 微波效应∃, 即非 热效应, 目前尚无一致意见。
Baofu 和 Martin[ 19] 构建了脉动功率与连续功率 微波体系, 利用这两种系统分 别进行了双酚 A 环 氧树脂 ( DGEBA) 与 二氨 基 二 苯甲 烷 ( DDM ) 、 间苯二胺 ( m PDA) 、二氨基二苯砜 ( DDS) 三种 固化剂在不同温度下的等温固化反应。这两种系统
1前 言 环氧树脂一般可用作粘合剂、浇铸料、玻璃钢
和涂料等。其优良性能如粘合性、电绝缘性、耐化 学药品性、高强度、高耐热能力及各类新产品的开 发, 使之在机械、宇航、电气、化工等领域中的应 用越来越广泛。为进一步提高环氧树脂固化物的性 能, 可以从树脂结构入手来改性树脂基体或合成新 型树脂; 同时也可以从添加剂出发, 达到实现其高 性能化的目的。研究并利用新型的固化技术也正在 成为一个主要的途径。 2 热固化体系
Shieh 等人[ 2] 利用邻苯基苯酚和磷酰氯反应制 得含磷化合 物 ODC, 并用 ODC 与线 型酚 醛树 脂 ( PN) 合成了新型的含磷阻燃固化剂 OD- PN, 其 反应式如下:
- HCl + PO Cl3 OH
AlCl3 - H Cl
OP O Cl OH
Cl OP O
Cl
( O DC)
第 16 卷第 3 期 2001 年 5 月
热 固性 树脂
V ol. 16 No . 3 M ay 2001
Thermosetting Resin
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y
环氧树脂固化技术及其固化剂研究进展
王伟
( 天津大学材料学院, 天津 300072)
摘 要: 综述 了近年来国内外关于环氧树脂的热固化、微波固化及光固化技术 的研究情 况。在热固化 技术领域, 着重介绍了具 有高耐热性、阻燃性、韧性等性能的几 种功能 性固化剂 以及几 种新型 改性胺 类固化 剂; 通过与 热 固化的对比, 对环氧树脂的微波固化体系进行了初步 的分析 与探讨; 在 光固化 技术领 域则主要 概述了 环氧树 脂 的阳离子紫外光固化体系与自由基- 阴离子混杂光固化体系的进展情况。 关键词: 环氧树脂; 固化技术; 固化剂 中图分类号: T Q323 5; T Q314 256 文献标识码: A 文章编号: 1002- 7432( 2001) 03- 0029- 05
OH
+
CH2-
- HCl 5H
OP O Cl
OP O
O
OH
源自文库
CH 2-
5H ( OD - PN )
用该固化剂固化的环氧树脂, 由于其内部含有 ODC 的规整结构和含磷侧基, 比无环含磷固化剂 或含溴固化剂 固化的环氧树脂具有更 高的阻燃性 能、更高的玻璃化温度及热稳定性。由此固化剂固 化的甲酚甲醛环氧树脂 ( CNE) , 磷含量为 1 21% 时即可达到 U L94 - VO 标准 ( 若用 含溴固 化剂, 溴含量则须达到 6% ) , 且没有 毒烟放出; 磷含量 为 1 72% 时, t g 为 178 , 在空气中 401 时仅 有 10% 失重, 其 L OI 值 ( 能支持某物质燃烧的氧 氮混合气中氧气的最小百分比) 可达 35。
张多太研制成功 的 F 系列环氧树 脂固化剂为
y 收稿日期: 2000- 02- 16 作者简介: 王伟 ( 1976 ! ) , 男, 天津人, 硕士在学, 从事高分子充电信息材料及热固性树脂方面的研究。
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改性酚醛树脂, 部分已商品化[ 3, 4] 。该固化剂可使 通用环氧树脂耐 300~ 400 高温, 具有洁净安全 的高阻燃性能和突出的耐烧蚀性能, 在高温下其固 化物即使分解, 残碳层仍具有原材料的部分性能。 F 固化剂自身无污染, 可以长期贮存, 施工简便, 既可以粉末使用, 又能以溶液 使用; 既可高 温固
由图 1 可见: 固化后的 E- 51 环氧树 脂的分 解温度为 380 左右, 最大失重 速率 出现在 405
, 467 后又开始缓慢失重, 800 时的质量保 持率仍为 38 17% ; 固化后的多功能环氧树脂 AF G - 90 的分 解温度 比 E - 51 环 氧树 脂低, 但其 在 800 以上的质量保持率可达 50% 以上。而一般耐 热良好的酚醛树脂在 600~ 700 时, 质量保持率 已趋近于零。 2 2 韧性固化剂
i、拉伸强度 t 与弯曲强度 f 同时呈现峰值。 固化物的冲击强度与拉伸强度和固化剂含量的
关系如图 2, 图 3 所示。 由图 2 可见, 经固化剂改性的环氧树脂的冲击
强度比未改性时提高许多, 当固化剂含量小于40%
图 2 固化物冲击强度与固化剂含量的关系
图 3 固化物拉伸强度与固化剂含量的关系
时, 冲击强度随固化剂含量的增加而增加; 当固化 剂含量大于 40% 时, 冲击强度 基本不变。说明该 固化剂的含量只须达到一定值, 就能有效地改善环 氧树脂的脆性。由图 3 可见, 拉伸强度随固化剂含 量的增加而逐渐下降, 在固化剂含量达 50% 以后, 拉伸强度显著下降。这是由于随着柔性链的增多, 环氧树脂的交联密度在一定程度上有所降低。
4 光固化体系 环氧树脂的紫外光固化 ( UV 固化) 是指在紫
外光作用下, 其体系中的光敏物质可通过光化学反
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应产生活性粒子或基团, 从而引发体系中的活性树
脂进行交联聚合。该技术不需使用有机溶剂, 对环
境污染小, 并具有固化速度快、节省能源、产物性 能好、适合于高速自动化生产线和对热敏感的基材
双氰胺是一种最为常用的潜伏型固化剂, 但固 化温度较高、在环氧树脂中溶解性不好, 不利于湿 法成型。利用苯胺 - 甲醛对其 改性[ 8] , 改性后 的 双氰胺可溶于丙酮和酒精的混合溶剂之中, 并在丙 烯酸钝化咪唑的作用下, 可于 125 中温固 化树 脂, 该固化产物具有良好的室温性能和湿热性能。
一般环氧树脂固化后脆性较大, 交联度高的网 状刚性结构的环氧树脂在低温下其脆性更为突出。 非活性增韧剂随着时间延长及光、热作用, 将慢慢 挥发而使树脂老化 变脆; 活性 增韧剂一般分 子较 大, 与树脂基体反应会改变其部分性能, 因此合成 韧性固化剂具有一定的意义。
李清秀等人[ 5] 采用酸酐与一 系列不同相对 分 子质量的柔性链齐聚物反应, 成功合成了韧性固化 剂。测试表明: 该固化剂与环氧树脂有较好的相容 性, 固化反应后能以化学键连接在环氧树脂网络之 中; 在相同的固化剂用量比率下, 当固化剂中柔性 分子相对质量达一定值时, 环氧树脂的机械性能将 产生协同效应, 即在降低 t g 的同时, 耐冲击强度
的温度波动分别控制在 1 与 0 5 之内, 脉动功 率体系温度波动较大是由于功率的变化引起反应物 介电性质的变化, 从而使反应物恢复到功率开闭前 的响应状态存在一定的滞后。反应进程由入射功率
与反射功率两项参数监控, 反应过程中利用傅利叶 变换红外光谱测定其固化度。经分析固化度- 时间 曲线可看出, 微波固化具有明显的热固化特征, 包 括初期、自加速和物理沉淀三个反应阶段, 固化温 度越高, 前二阶段时间 越短, 产物的 固化程度越 高。如果微波主要通过热效应提高反应速率, 当功 率为零时, 由于整个体系受控保持恒温, 反应速率 的下降应有一定限制; 若反应速率主要由非热效应 决定, 当功率为零时微波效应全部消失, 反应速率 必有较大程度的下降, 即连续功率微波体系的反应 速率应明显高于脉动功率微波体系, 该研究的实验 结果证明了这一点。由于脉动功率体系存在脉动量 值与脉动循环的影响, 要获得确定性的结论尚需进 一步的探讨。
性能, 但实际上两者过程差别很大。对于传统供热, 能量依靠物质由表及里的温度梯度逐步进行传递, 而微波可以均匀加热整个体系; 传统加热可用热电 偶直接测温, 及时控制温度与压力, 而在微波体系 中为避免热电偶扰乱电磁场, 只能使用荧光量热计 间接测温, 温度和压力控制存在一定的滞后; 此外, 所用微波容器的空间形状对电磁场分布有一定影响, 并最终影响反应过程本身。这些差别可能是造成上 述报导不尽相同的原因[ 18] 。
化, 也可中温固化, 同时具有自生色功能, 是一种 多用途的高效固化剂。
F 系列固化剂 F - 52B 与 F - 52A 分别固化 E - 51 环氧树脂和多功能环氧树脂 AF G- 90 的热重 分析 ( T G) 曲 线和微分热重曲线 ( DT G) 如 图 1 所示:
图 1 DSC 环氧树脂的 T G 和 DT G 曲线
针对以往的改性胺类固化剂使用甲醛水溶液的 不便, 白力 英[ 7] 利用多 聚甲 醛代 替甲 醛水 溶液, 在溶剂中使多聚甲醛与尿素、苯酚反应, 制得不挥 发的尿素- 苯酚- 甲醛缩聚体, 然后将此缩聚体与 乙二胺反应制得新型环氧树脂固化剂 U PFA。利用 此工艺, 可避免使用甲醛水溶液, 免去体系中引入 水、产品处理复杂, 乙二胺损失较大等。同时可以 降低成本, 使反应条件温和, 易于实现产品的工业 化和商品化。
随着对环氧树脂基体研究及其改性工作的逐步 深入, 环氧树脂固化技术取得了较大的进展, 各类 具有特殊性能的新型固化剂, 近年来已成为国内外 通用环氧树脂应用方面的研究热点。 2 1 阻燃性及高耐热性固化剂
提高环氧树脂的阻燃性能可通过物理混入阻燃 添加剂的方法实现, 但在使用中添加剂易流失且工 艺复杂; 而通过化学键将阻燃物质接入聚合物骨架 结构的方法, 不仅实现阻燃基 团对树脂的永 久粘 附, 并对其物理及机械性能影响不大。与传统的含 溴阻燃剂相比, 有机磷化合物在显示出高效阻燃性 能的同时, 产生的有毒物质少[ 1] 。
的涂布等优点。目前常用的紫外光固化体系按照引
发体系的不同, 可分为自由基光固化体系和阳离子
光固化体系。自由基 UV 固化体系反应速度快、性
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王伟: 环氧树脂固化 技术及其固化剂研究进展
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2 3 改性胺类固化剂 为了克服胺类固化剂 的脆性、不 良的耐冲 击
性、欠佳的耐候性及毒害作用, 必须对胺类固化剂 进一步改性, 以便获得无毒或低毒、可在室温条件 下固化的胺类固化剂。
目前使用的胺类固化剂如间苯二胺, 4, 4∀- 二 氨基二 苯砜, 4, 4∀- 二氨基二苯 甲烷等, 由 于毒 性、低溶解性及高放热性等, 限制了其应用范围。 刘培等[ 6] 合成的4, 4∀- 双 ( 3- 氨基苯氧基) 二苯 砜 ( m - BAP S) , 是一种新 型的芳香 族二胺固 化 剂, 能改善环氧体系的结构性能, 增加体系的韧性 及耐湿热性, 并能降低固化温度。同时利用盐酸盐 法对该固化剂进行了精制。
微波也可用于聚合物反应体系之中, 人们对环 氧树脂的微波固化反应同样进行了大量研究报导。 Wei 等[ 15] 将双酚 A 环氧树脂 ( DGEBA) / 间苯二胺 ( mPDA) 、双 酚 A 环氧树脂 ( DGEBA) / 二 氨基二
苯砜 ( DDS) 两种体系的微波固化反应与传统的热 固化反应比较, 微波固化具有更高的反应速率, 同 时固化 产物的 t g 有明显 的上升。Marand 和 Gray beal[ 16] 研究了 DGEBA/ DDS 的微波固化过程, 认为 在固化反应前期, 微波可以提高反应速率, 但在后 期降低 反 应 速率 并 最 终导 致 固 化度 的 下 降。 M ijoric 与 Wijaya[ 17] 同样研究了上述体系, 但报导反应速率 与固化产品的 t g 均有不同程度的下降。这些研究大 都直接比较了微波固化与热固化的反应历程及产物
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