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双酚A型环氧树脂的合成
2004-04-25 00:00:00  作者:  来源:网络  文字:【】【】【

    1、合成原理
    双酚A型环氧树脂是由二酚基丙烷(双酚A)和环氧氯丙烷在碱性催化剂(通常用NaOH)作用下缩聚而成。其反应历程的说法不一,尚无定论,本书不作探讨。但是,大体上说来,在合成过程中主要的反应可能如下:
    (1)在碱催化下,双酚A的羟基与环氧氯丙烷的环氧基反应,生成端基为氯化羟基的化合物-开环反应。
    (2)氯化羟基与NaOH反应,脱HCl再形成环氧基-闭环反应。
    (3)新生成的环氧基与双酚A的羟基反应生成端羟基化合物-开环反应。
    (4)端羟基化合物与环氧氯丙烷反应生成端氯化羟基化合物-开环反应。
    (5)生成的氯化羟基与NaOH反应,脱HCl再生成环氧基-闭环反应。
    在环氧氯丙烷过量情况下,继续不断地进行上述开环-开环-闭环反应,最终即可得到二端基为环氧基的双酚A型环氧树脂。
    上述反应是缩聚过程中的主要反应。此外还可能有一些不希望有的副反应,如环氧基的水解反映、文化反应、酚羟基与环氧基的反常加成反应等。若能严格控制合适的反应条件(如投料配比,NaOH用量、浓度及投料方式,反应温度,加料顺序、含水量等),即可将副反应控制到最低限度。从而能获得预定相对分子质量的、端基为环氧基的线型环氧树脂。    
    调节双酚A和环氧氯丙烷的用量比,可以制得平均相对分子质量不同的环氧树脂。按照平均相对分子质量的大小可将双酚A型环氧树脂分为:
    液态双酚A型环氧树脂(低相对分子质量环氧树脂、软树脂)。平均相对分子质量较低,平均聚合度n=0~1.8。当n=0~l时,室温下为液体,如EP0144l-310(E-51),EP0l451-310(E-44),EP01551-310(E-42)等。当n=1~1.8时为半固体,软化点<55℃,如E-3l。
    固态双酚A型环氧树脂。平均相对分子质量较高。n=1.8~19。当n=1.8~5时为中等相对分子质量环氧树脂。软化点为55~95℃。如EP0l661-310(E-20),EP01617-310(E-12)等。当n>5时为高相对分子质量环氧树脂。软化点>100℃。如EP0l68l-410(E-06),EP0l69l-410(E-03)等。
    通常环氧树脂的n=0~19,其相对分子质量<6000,为低聚物。若n>100,就具有高聚物的性能。这样的树脂专门命名为苯氧基树脂(phenoxyesin),以区别于一般的环氧树脂。苯氧基树脂的相对分子质量较大,通常为3~4万,环氧基含量非常少。实际上它是一种热塑性高聚物,其最终的使用性能没有必要通过环氧基的固化来提供。然而它含有大量仲羟基,可用作化学改性点和交联点。例如可与异氰酸酯或三聚氰胺—甲醛树脂进行反应。

    2、合成方法
    (1)液态双酚A型环氧树脂的合成方法归纳起来大致有两种:一步法和二步法。一步法又可分为一次加碱法和二次加碱法。二步法又可分为间歇法和连续法。
    一步法工艺是把双酚A和环氧氯丙烷在NaOH作用下进行缩聚,即开环和闭环反应在同一反应条件下进行的。目前国内产量最大的E-44环氧树脂就是采用一步法工艺合成的。
    二步法工艺是双酚A和环氧氯丙烷在催化剂(如季铵盐)作用下,第一步通过加成反应生成二酚基丙烷氯醇醚中间体,第二步在NaOH存在下进行闭环反应,生成环氧树脂。二步法的优点是:反应时间短;操作稳定,温度波动小,易于控制;加碱时间短,可避免环氧氯丙烷大量水解;产品质量好而且稳定,产率高。国产E-51、E-54环氧树脂就是采用二步法工艺合成的。
     (2)固态双酚A型环氧树脂的合成方法大体上也可分为两种:一步法和二步法。一步法又可分为水洗法、溶剂萃取法和溶剂法。二步法又可分为本体聚合法和催化聚合法。
    一步法(国外称Taffy法)工艺是将双酚A与环氧氯丙烷在NaOH作用下进行缩聚反应,用于制造中等相对分子质量的固态环氧树脂。国内生产的E-20、E-14、E-12等环氧树脂基本上均采用此法。其中水洗法是先将双酚A溶于10%的NaOH水溶液中,在一定温度下一次性迅速加入环氧氯丙烷使之反应,控温。反应完毕后静置,除去上层碱水后用沸水洗涤十几次,除去树脂中的残碱及副产物盐类。然后脱水得到成品。溶剂萃取法与水洗法基本相同,只是在后处理工序中在除去上层碱水后,加入有机溶剂萃取树脂。能明显改善洗涤效果(洗3~4次即可)。然后再经水洗、过滤、脱溶剂即得到成品。此法产品杂质少,树脂透明度好,国内生产厂多采用之。溶剂法是先将双酚A、环氧氯丙烷和有机溶剂投入反应釜中搅拌、加热溶解。然后在50~75℃滴加NaOH水溶液,使其反应(也可先加入催化剂进行开环醚化,然后再加入NaOH溶液进行脱HCl闭环反应)。到达反应终点后再加入大量有机溶剂进行萃取,再经水洗、过滤、脱溶剂即得成品。此法反应温度易控制,成品树脂透明度好,杂质少,收率高。关键是溶剂的选择。
    二步法(国外称advancment法)工艺是将低相对分子质量液态E型环氧树脂和双酚A加热溶解后,在高温或催化剂作用下进行加成反应,不断扩链,最后形成高相对分子质量的固态环氧树脂,如E-10、E-06、E-03等都采用此方法合成。二步法工艺国内有两种方法。其中本体聚合法是将液态双酚A型环氧树脂和双酚A在反应釜中先加热溶解后,再在200℃高温反应2h即可得到产品。此法是在高温进行反应,所以副反应多,生成物中有支链结构。不仅环氧值偏低,而且溶解性很差,甚至反应中会凝锅。催化聚合法是将液态双酚A型环氧树脂和双酚A在反应釜中加热至80~120℃使其溶解,然后加入催化剂使之发生反应,让其放热自然升温。放热完毕冷至150~170℃反应1.5h,经过滤即得成品。
    一步法合成时,反应是在水中呈乳状液进行的。在制备高相对分子质量树脂时,后处理较困难。制得的树脂相对分子质量分布较宽,有机氯含量高。不易得到环氧值高、软化点亦高的产品,以适应粉末涂料的要求。而二步法合成时,反应呈均相进行,链增长反应较平稳,因而制得的树脂相对分子质量分布较窄,有机氯含量较低,环氧值和软化点可通过配比和反应温度来控制和调节。具有工艺简单、操作方便、设备少、工时短、无三废、一次反应即可、产品质量易控制和调节等优点,因此日益受到重视。

    3、结构与性能特点
    在环氧树脂的各个应用领域中,其最终的使用性能是由环氧树脂固化物提供的。环氧树脂固化物的士性能取决于固化物的分子结构。而固化物的分子结构及其形成则取决与环氧树脂的结构及性能、固化剂的结构及性能、添加剂的结构及性能,以及环氧树脂的固化历程。这里,先就双酚A型环氧树脂的结构对环氧树脂及其固化物性能的影响作一些介绍。
   
(1)双酚A型环氧树脂的大分子结构具有以下特征:
    1)大分子的两端是反应能力很强的环氧基。
    2)分子主链上有许多醚键,是一种线型聚醚结构。
    3)n值较大的树脂分子链上有规律地、相距较远地出现许多仲羟基,可以看成是一种长链多元醇。
    4)主链上还有大量苯环、次甲基和异丙基。
   
(2)双酚A型环氧树脂的各结构单元赋予树脂以下功能:环氧基和羟基赋予树脂反应性,使树脂固化物具有很强的内聚力和粘接力。醚健和羟基是极性基团,有助于提高浸润性和粘附力。醚健和C-C键使大分子具有柔顺性。苯环赋予聚合物以耐热性和刚性。异丙基也赋与大分子一定的刚性。-C-O-键的键能高,从而提高了耐碱性。所以,双酚A型环氧树脂的分子结构决定了它的性能具有以下特点:
    1)是热塑性树脂,但具有热固性,能与多种固化剂、催化剂及添加剂形成多种性能优异的固化物,几乎能满足各种使用要求。
    2)树脂的工艺性好。固化时基本上不产生小分子挥发物,可低压成型。能溶于多种溶剂。
    3)固化物有很高的强度和粘接强度。
    4)固化物有较高的耐腐蚀性和电性能。
    5)固化物有一定的韧性和耐热性。
    6)主要缺点是:耐热性和韧性不高,耐湿热性和耐候性差。






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