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环氧树脂的改性
2004-04-23 00:00:00  作者:  来源:网络  文字:【】【】【

    1、概述
    环氧树脂具有良好的综合力学性能、高度的粘合力、收缩率小、稳定性好、优异的电绝缘性能,作为涂料、胶粘剂、复合材料树脂基体、电子封装材料等在机械、电子、电器、航天、航空、涂料、粘接等领域得到了广泛的应用。然而,由于固化后的环氧树脂交联密度高,内应力大,因而存在质脆、耐疲劳性、耐热性、抗冲击韧性差等缺点,难以满足工程技术的要求,使其应用受到一定的限制。特别是制约了环氧树脂不能很好地用于结构材料等类型的复合材料,为此,国内外学者对环氧树脂进行了大量改性研究。其中,最主要的是改善环氧树脂的脆性、耐湿热性。
    环氧树脂可通过化学方法改性和物理方法进行改性。化学方法改性主要是合成新型结构的环氧树脂及新型结构的固化剂;物理方法改性主要是通过与改性剂形成共混结构来达到提高性能的目的。两种方法比较起来,第一种方法从工艺、成本及难易程度来讲都比第二种方法处于劣势。因此,目前对环氧树脂的改性主要是通过共混结构实现的。
    环氧树脂的增韧途径主要有三类:①刚性无机填料、橡胶弹性体和热塑性塑料聚合物等形成两相结构进行增韧。②用热塑性塑料连续贯穿于环氧树脂网络中形成半互穿网络型聚合物来增韧改性。③通过改变交联网络的化学结构组成(如在交联网络中引入“柔性段”)以提高交联网络的活动能力。
    环氧树脂的耐湿热性能的改善,主要是通过在环氧树脂分子中引入含稠环的结构单元和合成含氟的环氧树脂,以及采用新的固化剂代替传统的DDS等。
    改性后的环氧树脂,由于耐湿热性和韧性的提高,将进一步扩大环氧树脂在电子电器产品、复合材料受力构件以及高性能结构胶粘剂等方面的应用。
    另一方面,尽管环氧树脂具有良好的加工工艺性,但对于不同的应用,其操作工艺需要作适当的改善。如二酚基丙烷型环氧树脂,由于黏度较大,在某些操作中工艺性差,就需要在固化体系中加入稀释剂来降低黏度,改善操作工艺性能。因此,为了满足不同的应用,需要加入稀释刘、填料、增强剂等不同的添加剂。
    环氧树脂流动性的调节:环氧树脂配合物的流动性,对于涂料,衬里,浇铸等用途是很重要的。为适应这些要求必须降低粘度,或者提高黏度,或者赋予触变性,能达到这些要求的配合材料称为流动性调节剂。

    2、稀释剂
    稀释剂主要用来降低环氧胶粘剂体系的黏度,溶解、分散和稀释涂料,改善胶液的涂布性和流动性。此外,稀释剂也起到延长使用寿命的作用。但是加入稀释剂也会降低固化后树脂的热变形温度、胶接强度、耐介质及耐老化等性能。然而,为了使树脂胶液便于浸润胶合物的表面,提高其浸润能力和湿润能力,有利于操作,必须加入适量的稀释剂。
    稀释剂的分类方法很多,按其使用机理,可分为非活性稀释剂与活性稀释剂两大类。
    (1)非活性稀释剂
    非活性稀释剂不与环氧树脂、固化剂等起反应,纯属物理地掺混到树脂中。它与树脂仅是机械的混合,起稀释和降低黏度作用的液体。它在胶液的固化过程中大部分是挥发掉的。它会给树脂固化物留下孔隙,使收缩率相对增大。因此,非活性稀释剂对固化后树脂性能的不利影响比活性稀释剂的影响大,但却能少许提高树脂的韧性。当使用要求较高时不能使用非活性稀释剂,应选用活性稀释剂。
    非活性稀释剂多为高沸点液体,如邻苯二甲酸二丁酯、苯二甲酸二辛酯、苯乙烯、苯二甲酸二烯丙酯、甲苯、二甲苯等。用量以5%~20%为宜。12%左右的邻苯二甲酸二丁酯使标准环氧树脂的黏度从10Pa·s降到0.5~0.7Pa·s(25℃)。一些工业环氧树脂(2.0~4.0Pa·s)含有二丁酯作为非活性稀释剂。溶剂亦作为非活性稀释剂,但对耐化学试剂有不利影响。用量大时,固化物性能变坏同时由于稀释剂在固化过程中的挥发会引起收缩率增大。
    (2)活性稀释剂
    活性稀释剂一般是指带有一个或两个以上环氧基的低分子化合物,它们可以直接参与环氧树脂的固化反应,成为环氧树脂固化物交联网络结构的一部分,对固化产物的性能几乎无影响,有时还能增加固化体系的韧性。活性稀释剂又分为单环氧基活性稀释剂和多环氧基活性稀释剂两种。某些单环氧基稀释剂,如丙烯基缩水甘油醚、丁基缩水甘油醚和苯基缩水甘油醚,对于胺类固化剂反应活性较大。某些烯烃或脂环族单环氧基稀释剂对酸酐固化剂反应活性较大。因此,使用活性稀释剂时,固化剂的用量、品种应作相应的调整。
    无溶剂环氧涂料中,单官能活性稀释剂用量不超过环氧树脂的15%,多宫能活性稀释剂用量可达到20%~25%。但用量太多,会降低涂膜性能。例如,不加活性稀释剂的双酚A型环氧涂层和含井501(环氧丙烷丁基醚)活性稀释剂的双酚A型环氧涂层在10%硫酸水溶液中浸泡30天后,涂层增重分别是2.11%和4.18%;在甲醇中浸泡30天后,涂层增重分别是2.67%和13.5%。
    活性稀释剂一般有毒,在使用过程中必须注意,长期接触往往会引起皮肤过敏,严重的甚至于会发生溃烂。
    单环氧化物的稀释效果比较好,脂肪族型的比芳香族型有更好的稀释效果。使用芳香族型活性稀释剂的固化产物耐酸碱性变化不大,但耐溶剂性却有所下降。
    单环氧化物活性稀释剂的使用会使热变形温度降低,这是由于它的使用会使固化物的交联密度下降的缘故。长碳链的活性稀释剂使用后可使抗弯强度、冲击韧度得以提高。用量不多时对固化产物的硬度无影响,而热膨胀系数则增加。
    使用二或三环氧化物作稀释剂,用量和固化方法适当,就不会降低交联密度,因此热态下的机械强度及耐化学品性保持率较高。与单环氧化物比较,在稀释效果上差些,要将树脂黏度下降到同等水平所需添加量较大。
    短链及环状结构的二或三环氧化物,对固化物的热变形温度几乎无影响,而长碳链稀释剂影响则十分明显。
    (3)稀释剂的选用原则
    1)尽量选用活性稀释剂,以利于在改进工艺性的同时,提高其粘接、机械‘性能。
    2)选择那些与主体树脂化学结构相近的稀释剂,因为它们会在其它助剂存在下,与主体树脂一道参加反应,而大大改善胶层性能。如在l00份双酚A环氧树脂为主体组分的胶中,加入20份丁二醇双环氧稀释剂,并用混胺作固化剂时,可使其胶层延伸率达到7.0%,而拉伸强度仍保持在29MPa以上,热变形温度达120℃。
    3)应注意选用挥发性小、气味(异味)小、毒性尽量低的品种,以减少稀释剂在配胶、施胶时对人体的侵害,因为大多数活性或非活性稀释剂都有异味和有低毒。
    4)来源容易,不燃不爆,价格低廉,亦是要考虑的重要因素。因此只要能用水为稀释剂的就应尽量用水。
    5)应通过实验与理论选择最合适的加入量。

   
3、溶剂、增稠剂
    溶剂——
    溶剂与非活性稀释剂的主要区别是,溶剂主要起溶解树脂体系的作用,当然也能调节胶液的黏度;而非活性稀释剂主要的作用是调节涂料的粘度,它可能对树脂体系有溶解性也可能没有溶解性。
    溶剂的加入,使胶粘剂更便于施工,并可在室温下进行固化,使胶液黏度低,易浸润被粘物表面、工艺性好等。但溶剂加入也造成胶粘剂在固化时体积收缩率大,溶剂有时会使被粘物表面溶胀,造成粘结不牢,以及大部分溶剂挥发并易燃,有一定毒性等不足。因此在配置胶粘剂时应注意选择使用。
    胶粘剂溶剂的选用,首先考虑其对主体树脂的溶解性能,其次考虑其挥发速度,因为只有合适的挥发速度才能配出性能良好的胶粘剂和涂料来。再其次要考虑溶剂的黏度、闪点及易燃性。为安全考虑,应尽可能采用较高闪点的醇、醚醇和酯类,用丙二醇醚类代替乙二醇醚以降低毒性,最后还要考虑气味、毒性、来源难易及价格高低等。
    环氧树脂可溶解在某些有机溶剂中,树脂的溶解性随分子量的增加而降低。酮类、酯类、醚醇类和氯代烃类是环氧树脂的溶剂,对环氧树脂有很好的溶解能力。芳烃和醇类不是环氧树脂的溶剂,但是芳烃和醇混合后,则可作为中等分子量树脂的溶剂。
    环氧树脂涂料多采用混合溶剂,是由溶剂和稀释剂组成的,可以降低成本,改善漆膜性能和施工性能,提高溶剂的溶解力。刷涂施工的产品应使用部分高沸点溶剂,如乙基溶纤剂等。
在选用溶剂时还应注意的是,不同结构的溶剂对固化反应会起不同的作用。例如,胺固化环氧树脂不能使用酯类作溶剂,因为酯类与胺类固化剂有反应,破坏固化剂,降低固化效果;路易斯酸作固化剂时,如选用环己酮作溶剂,会发生缩酮化反应,这种反应会影响固化涂膜的性能,尤其是在烘烤的条件下,因此,使用酮类和酯类溶剂时应十分小心。
    增稠剂——
    增稠剂在胶黏剂的组成中是一类比较新的配合助剂,它们加入胶粘剂之后,能将施工黏度增稠和使原来一些不黏或难黏的物质粘结强度有所提高,特别是提高其初粘力,并且改善其对被粘物表面的浸润性。
    增稠剂大都是分子量不很大的树脂类物质,在选用时主要遵循以下原则:①与环氧树脂有很好的相容性,在混合之后,能长期稳定的与环氧树脂共同工作,不析出、不分层。②具有最佳的增稠效果,对被粘物表面有相当高的粘附力。③来源丰富,价格便宜,最好为非危险品,以方便贮运。
    目前用于环氧胶粘剂的增稠剂主要有有机硅烷化合物、烷基酚醛树脂、松香或改性松香以及改性淀粉等。考虑到增黏剂的加入,既有施工工艺上的要求,又有粘接性能、胶接接头性能上的要求,有时单一的增稠剂无法达到要求,近年来大都采用混合型增稠剂。如,在环氧胶中加入叔丁基酚醛外,还加入改性松香,以增加初粘力。增稠剂的加人量一般为总量的1%~20%。

   
 4、流变及流变剂
    (1)引言
    能够改善涂料流变性能的助剂称为流变改性剂,也称为流变剂。一般的说,流变剂能够改善涂料的稳定性和涂装性,提高涂膜质量。例如,防止涂料贮存过程中颜、填料的沉淀,避免涂装过程中涂料的溅落、流挂,改善涂膜的流平性能等。
    从流变学的观点来看,流变剂还分成触变性流变剂和假塑性流变剂,二者之间的差别在于外加剪切力撤除后体系结构恢复的速度。这一特性是涂料流动和流平的主要影响因素。假塑性流变剂由于具有极快的结构恢复速度,在外加剪切力去除后几乎立即恢复结构粘度,因而有利于涂料的防沉降和防流挂,但用量高时会对流动和流平产生不利的影响,并进而影响涂膜质量,如刷痕过重、喷涂时雾化不良等。典型的假塑性流变剂是气相二氧化硅、可溶性蓖麻油和聚烯烃浆等。
    触变型流变剂在外加剪切力去除后能够显示实时相关的结构恢复速度,用之于涂料中即能得到满意的抗流挂性,又不会损失流动和流平性,在涂料中的应用效果优于假塑性流变剂。这类流变剂主要有有机粘土和氢化蓖麻油基有机蜡等。触变性与填料的形状有关,粒子纵横比(aspectratio)越大,尺寸越小,触变性效果就越高。
    (2)几种常用的流变剂
    1)气相二氧化硅  气相二氧化硅是较早使用的流变剂,但现在使用的该产品在性能上有了较大提高。气相二氧化硅为固体粉末,是球形微粒的集合体,其分子上含有羟基基团,能够吸附水分子和极性液体。球形颗粒表面有硅醇基。当气相二氧化硅分散于基料溶液中时,相邻球形颗粒之间的硅醇基团因氢键结合而产生疏松的晶格,形成三维网络结构,产生凝胶作用和很高的结构黏度。在受到剪切力作用时,因氢键结合力很弱,网络结构破坏,凝胶作用消失,黏度下降。剪切力去除后又能恢复原来静止时的形状。
    气相二氧化硅在涂料中的用量视最终粘度要求和不加气相二氧化硅前涂料的粘度情况而定,一般为涂料总量的0.5%~3.0%(质量分数)。
    气相二氧化硅在使用时易受涂料溶剂的影响,在非极性溶剂中的效果最好。在极性溶剂中液体的分子和二氧化硅颗粒间吸引力增大,很难形成疏松的网络结构。为此。国外有专门用于极性溶剂的气相二氧化硅,如德国Degussa公司的Aerosil系列产品。
    在涂料中气相二氧化硅可用于防锈涂料,厚浆涂料和装饰涂料等,以提高粘度,防止颜料沉降,改善涂膜流挂。气相二氧化硅的缺点是在涂料贮存中粘度和触变性有下降趋势。
    2)有机膨润土  有机膨润土流变剂外观为粉状物质,微观上是附聚的黏土薄片堆,黏土薄片两面都附聚有大量的有机长链化合物,经分散并活化后,相邻薄片边缘上的羟基靠水分子连结,从而形成触变性的网络结构,外观则成凝胶状态。如果没有水分子,则不能形成凝胶结构。
    有机膨润土在使用时最好先制成凝胶,在涂料的生产过程中在颜料投料阶段将凝胶投入。即先在剪切力的作用下使溶剂或树脂溶液进入毛细孔隙中而将附聚的薄片堆润湿,使附聚的薄片堆解聚,这时体系的粘度显著增大。在剪切条件下加入活化剂,使薄片间的距离加大。继续剪切把薄片充分分散,即得到活化的触变结构,即膨润土凝胶。
    最常用的活化剂是相对分子量低的醇类,例如甲醇和乙醇。相对分子量低的酮,尤其是丙酮,也可以用作活化剂,但其气味较大,闪点较低,限制了其在工业涂料中的应用。
    目前国内有机膨润土生产技术也比较成熟,有许多型号的产品。天津有机陶土厂生产的TN064,TF4065和浙江临安助剂厂生产的S01,在国内应用较广。这些产品的使用性能与美国NL公司的BENT0NE34相当。制成预凝胶的使用效果高于干粉直接添加的效果。
    3)氢化蓖麻油  氢化蓖麻油是由蓖麻油加氢制得的一种蜡状固体,经过处理,便可作为涂料的触变剂使用,主要用于增稠、防沉和防流挂。它是12—羟基硬酯酸三甘油酯,在脂肪酸链上有羟基,因此显示出了某种程度的极性。在非极性溶剂中能够溶胀凝胶化,溶胀粒子间因氢化蓖麻油分子中的极性基团而产生微弱的氢键结合,形成有触变性的网络结构,改善颜料悬浮性,控制流挂而不牺牲流动和流平性,通常不与涂料其它组成起反应,对涂料耐久性无不良影响,在配方中不泛黄,并赋予贮存稳定性和重现性。
    氢化蓖麻油在使用时也需要活化处理。在活化的第1阶段,先用基料溶液将氢化蓖麻油流变剂粉末分散,活化第2阶段是在搅拌状况下,将基料溶液-氢化蓖麻油粉末混合物升温至43~53℃,该过程需持续20~30min,使颗粒溶胀充分。然后在搅拌的情况下冷却至常温,得到具有触变性能稳定的流变结构。在活化的过程中,温度的控制是主要的。如果超过最高活化温度,在冷却时搅拌不够,则氢化蓖麻油就不能形成触变性的凝胶网络而会析出“晶粒”。同样,活化温度低且活化持续时间不够,也会出现这种情况。遇到活化不好起“晶粒”时,可以按正确的活化方法进行重新活化。






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