环氧树脂及其固化剂

(7)提高了固化物的耐腐蚀性。
脂肪胺的改性方法
1）酚醛改性
改性原理：曼尼希反应（Mannich）
代表性品种：T31固化剂（苯酚、甲醛、乙二胺缩合物） 特点：它们可在较低温度下快速固化环氧树脂。
2）与环氧化合物加成改性 改性原理：
代表性品种：国产593固化剂（丁基缩水甘油醚改性二乙烯三胺） 特点：可赋予环氧树脂较好的粘接和延展性能
二、碱性固化剂
1. 固化机理
伯胺、仲胺、聚酰胺、多元胺 （亲核加成）
第一步：首先，伯胺进攻环氧基并使之开环，形成仲羟基和仲胺基。
第二步：随后，仲胺基进一步与环氧基反应，形成一个叔胺基和另一 个仲羟基。
第三步：上述2个过程中生成的-OH又可以在叔胺的催化下开环氧基团 生成醚键。
叔胺、咪唑 （阴离子催化）
Sun等将PAMAM接枝到碳纳米管(SWCNT)的表面，从而利用接枝上的胺基 与环氧基反应，改善了改性纳米碳管对环氧树脂的分散性，进而提高了环氧 树脂的力学性能。
Wei等制备了四对氨基苯基金刚烷(TAPA)，以作为环氧树脂固化剂使 用。研究发现，用TAPA固化的双酚A环氧树脂较用DDS具有更高的热稳定性， 显示出优异的高频介电性能。其原因主要是:TAPA具有金刚烷核心和稠密 的苯环的分子骨架以及高度对称的分子结构。然而，TAPA固化环氧树脂的 活性很弱，反应温度很高，因此，加工工艺性能有待进一步改善。
(2)固化速度较快，放热剧烈，不宜大量配制使用; (3)配比要求严格，固化后的环氧树脂脆性较大，不耐冲击; (4)极易吸收空气中的水、CO2形成碳酸盐，使配合料浑浊不透明，固 化物表面出现白化、“发汗”现象，影响其美观; (5)有些多胺是固体，常温下与环氧树脂混合时，很难混合均匀，需 要加热或者加入溶剂，操作很不方便; (6)直接采用多胺固化剂己不能满足现代建筑业、电子工业和环境保 护等多方面的要求。
3. 芳香胺类
常用的芳香胺类固化剂
名称 结构
NH2
分子量
间苯二胺
NH2
108
4,4’,-二胺基二苯甲烷 (DDM）
H2N
CH2
NH2
198
4,4’-二胺基二苯砜 (DDS)
H2N
SO2
NH2
280
4. 叔胺类
常用的叔胺类固化剂 脂肪族叔胺：三乙胺，三乙醇胺…… 芳香族叔胺：苄基二甲胺、甲基苄基二甲胺、DMP-10、DMP-30
剂，发现它们较DDM固化环氧树脂的反应活性低，而阻燃性能却有很
大的提高，极限氧指数从24.1分别提高到30.6和33.2。 2. Schartel等以DOPO为原料，制备了与环氧树脂相容性很好的芳香 二胺固化剂，它与DDS相比，固化环氧树脂的极限氧指数显著提高， 阻燃性能达V一1级，而其它的主要力学性能并未有明显降低。
含Si的固化剂
特点：
含有硅元素的环氧固化剂具有良好的耐热性、柔韧性、电气和阻 燃性能，常用于制造微电子环氧封装材料等技术领域。 其分子具有以下基本特征:分子骨架上含有键能很高的Si一O或Si
一C键，以胺基或酸酐作为反应性官能团。
含硅固化剂固化环氧树脂的阻燃效果一般不如含磷固化剂的好， 但热稳定性却有所提高。
R3N + O
R3N
+
CH2 CH O
-
O
R3N
+
CH2 CH O CH2 CH O
-
O
O
...... R N+ 3
CH2 CH O CH2 CH O CH2 CH O CH2 CH O ......
2.脂肪族胺类及其改性
常用的脂肪胺固化剂
名称 乙二胺 二乙烯三胺
结构
H2N CH2CH2 H2N CH2CH2 NH2 NH2
3）与烯双键的加成改性 反应原理：典型的迈克尔加成反应(MichaelReaction)。
典型品种： 国产591固化剂（丙烯腈与二乙烯三胺的反应物）
特点：固化环氧树脂的速度较慢、适用期较长、放热平缓，与环氧树 脂相容性好，且具有耐溶剂性能优良等优点，因此常用来制造大型环 氧树脂浇铸体。
4）与羰基化合物反应改性 反应原理：
甲基那迪克酸酐
苯酮四甲酸二酐
3. BF3胺络合物
特点：三氟化硼-胺络合物是一种路易斯酸，为一种环氧树脂潜伏型 固化剂。在室温下，它们与环氧树脂反应速度很慢，而当升高到一定 温度(>100℃)时，便能够快速固化环氧树脂。
四. 固化剂研究的最新动向
1. 无卤阻燃固化剂 含磷的固化剂
分子结构特点：
改性后的脂肪胺固化剂具有如下特点:
(l)毒性降低，挥发性小，几乎无刺激性气味; (2)固化速度可调可控，与环氧树脂的配比要求不严格; (3)固体多胺液体化，改善了与环氧树脂的相溶性和可操作性; (4)在改性的过程中引进了一些官能团和分子链，改善环氧树脂固化物 的某些性能，或者增加某些特殊性能; (5)可以节约使用成本; (6)提高了固化体系的粘结力;
室温下不挥发，气味小，毒性低，用量少，适用期长；
固化后热变形温度高，有较好的机械性和热性能。
6. 双氰胺
固化温度180℃； 固化物机械性能和介电性能优异； 加入少量2-乙基-4-甲基-咪唑，可使固化温度降至120℃； 潜伏性固化剂。
7. 聚醚胺固化剂
特点：聚醚胺固化剂因其胺基的空间位阻大，因此固化速度偏慢。
BF3络合物（阳离子催化）
第一步：首先，三氟化硼一胺络合物与环氧基结合，形成正负离子对。
第二步：然后，引发环氧基开环，反应实际上是以阳离子聚合的方式 进行的，即环氧基团不断地插入到该离子对中，从而实现链增长、支 化、交联，最终形成比较完善的网络。
2. 常用的酸酐固化剂
邻苯二甲酸酐
均苯四甲酸二酐 甲基四氢苯酐
固化剂暂时隔绝。在使用时，通过加热、加压等外界方式使微胶囊壁膜 破裂释放芯材与树脂发生反应。微胶囊固化剂也是一种潜伏性固化剂。
文献报导：
1968年USP3396117报道将脂肪胺类固化剂二乙烯三胺与壬基酚等 质量混合，采用挤压技术以海藻酸钠、聚乙烯醇、明胶组成水溶液包囊。 胶囊通入作为固化浴的氯化钙水溶液中，将胶囊分离并干燥，可用于挤 压固化双酚A型环氧树脂，由于胺类固化剂反应活性大，如果单独选择 一种作为芯材则会降低包裹率，影响环氧树脂的固化效果。
博士课程
高分子复合技术
贺金梅
高分子科学与工程系
第2章 高分子复合材料的基体材料
2.1 环氧树脂及其固化原理
一、固化剂的分类
碱性固化剂 脂肪族二胺、多胺、芳香胺、咪唑、双氰胺、 改性胺、低分子聚酰胺
酸性固化剂 合成树脂类 固化剂
酸酐、BF3及其络合物 低分子聚酰胺、酚醛、三聚氰胺树脂、脲醛 树脂、聚酯、糠醛
谢谢各位专家！敬请指正！
分子量 60 103
NH2
Байду номын сангаас
NH CH2CH2
三乙烯四胺
多乙烯多胺 间苯二甲胺
H2N CH2CH2
NH CH2CH2
NH CH2CH2
146
— 136
H2N CH2CH2
NH CH2CH2 n
NH2
H2NCH2
CH2NH2
脂肪胺固化剂的缺点主要包括:
(l)未改性多胺毒性较大(如乙二胺)，常温极易挥发，会对皮肤、 呼 吸道产生伤害;
2.超支化固化剂
Liu等报道了超支化烯丙氧基马来酸一马来酸酐共聚物(MAHP)固化环氧 树脂的研究。研究发现，分子量较高的环氧树脂易与MAHP反应，达到较高 的转化率，但它与分子量较低的环氧树脂却较难反应，最终的反应程度较 低，也达不到凝胶点反应程度。
Gianni等将脂肪酸改性的超支化脂肪-芳香共聚酯(HBP(OH)-C16)用于辐射 固化环氧体系中，发现可显著提高环氧固化物的玻璃化温度、热稳定性和耐溶 剂等性能。
梁国正等制备了以立方倍半硅氧烷为核心的树枝状脂肪胺(POSSNH2)，并用于固化环氧树脂。研究发现，POSS-NH2可较好地固化环氧树 脂，且较DDS固化环氧树脂的韧性更好，还兼有更高的热稳定性。
5. 微胶囊技术
微胶囊单组分环氧树脂固化剂是用一定的方法，将双组分固化剂或
促进剂用微细的油膜包裹，形成微胶囊，加入环氧树脂体系中使树脂和
赋予环氧树脂以较高的玻璃化温度及耐热阻燃性能。
3. 树枝状分子固化剂
徐冬梅等用树枝状聚酰胺基胺(PAMAM)和聚酯酰胺(PEA)来固化环氧 树脂，并用DSC和FTIR较系统地研究了体系的反应动力学等问题。结果表 明：与乙二胺固化环氧体系相比，PAMAM和PEA固化的环氧体系在室温下
的凝胶时间大为延长；在较高温度下固化速率又很快。
三、酸性固化剂
1. 固化机理 1. 固化机理
酸酐 (加成聚合） 第一步：先是环氧树脂中的羟基基团令酸酐开环并形成单酯：
第二步：然后是酸酐固化环氧树脂的主要反应，即为一个羧基同一个环氧 基加成，进行加成型的酯化反应。最终反应生成二酯：
第三步：在酸的作用下，环氧树脂中的羟基与环氧基可进行醚化反应：
特点：常温潜伏性固化剂
5）与羧基的反应改性
反应原理： 由植物油脂肪酸的二聚体如桐油酸二聚体、亚麻油酸二聚体与多 元伯胺在高温下反应制得。
典型品种：低分子聚酰胺类
6）与硫脲的缩合改性
反应原理：
特点：双酚A型环氧树脂与未改性多胺在气温低于5℃，并且配制量 少的情况下，其固化速度十分缓慢，不过通过硫脲改性可以解决这 个难题。
Sangermano等制备了一种含酚羟基的超支化聚酯，并将其作为光固 化脂环族环氧树脂的链转移剂，发现环氧基的转化率和韧性均有所提高， 但玻璃化温度较低。
施文芳等以双酚A为A2 单体(f=2)、三氯氧磷为B3 单体(f=3)，制备
了超支化聚磷酸酯(HHPP)，作为环氧树脂固化剂。研究发现，HHPP能够