CN112724898A - 一种环氧树脂组合物及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种环氧树脂组合物及其制备方法和应用,所述环氧树脂组合物按照重量份包括如下组分:环氧树脂20~60重量份、固化剂8~30重量份、固化促进剂2~6重量份、聚苯乙烯‑聚乙二醇‑聚苯乙烯1~10重量份;所述环氧树脂组合物通过在环氧树脂基体中添加特定份数的聚苯乙烯‑聚乙二醇‑聚苯乙烯,提高了其断裂韧性,且所述聚苯乙烯‑聚乙二醇‑聚苯乙烯的加入,对所述环氧树脂组合物的其他性能影响不大;因此,可以得到综合性能优异的环氧树脂组合物,可以应用于电子电气、航天航空、涂料、建筑、汽车等领域,具有重要研究意义。
Description
技术领域
本发明属于粘合剂技术领域,具体涉及一种环氧树脂组合物及其制备方法和应用。
背景技术
环氧树脂广泛应用于电子电气、航天航空、涂料、建筑、汽车等领域,近年来全球环氧树脂行业发展较快,近十年来全球环氧树脂产量逐年上升。目前,国外部分发达国家环氧树脂行业已进入基本成熟阶段。2014年,我国环氧树脂产能约210万吨,产量108.78万吨。2014年环氧树脂消费总量高达126.3万吨,约占全球消费总量的50%左右。环氧树脂固化后的三维网状结构给环氧树脂提供了良好的力学性能,但同时由于其高度的交联结构导致其有很大的脆性问题,环氧树脂主链上较多的羟基也为环氧树脂提供了较好的粘接性能。环氧树脂的脆性使得其在很多方面的应用难易持久,易于被破坏,所以对环氧树脂的改性具有很大的现实和商业意义。
有很多关于增强的研究环氧树脂的韧性通过添加第二组分如软质而得到弹性体、刚性热塑性塑料、超支化聚合物或者嵌段共聚物(BCP)等方法。CN106633659A公开了一种嵌段共聚物-环氧树脂预混物及其制备方法、碳纤维预浸料用树脂组合物及其制备方法,该嵌段共聚物-环氧树脂预混物含有液体环氧树脂、嵌段共聚物和相容剂;液体环氧树脂、嵌段共聚物、相容剂的重量比为50~95:5~50:0.5~5。该嵌段共聚物-环氧树脂预混物具有优异的韧性,进而提高了碳纤维预浸料用树脂组合物的冲击强度,同时两组制备方法均具有原料易得、操作简便的特点。CN110128790A公开了一种制备具有纳米壳核结构的高强高韧环氧复合材料的方法,所述方法包括以下步骤:(1)BXLS嵌段共聚物的制备:由BX-OH引发ε-己内酯开环聚合后,用原子转移自由基聚合方法合成BXLS嵌段共聚物;(2)称取环氧树脂以及BXLS嵌段共聚物,混匀后加入固化剂后再次混匀,真空除泡、固化即可;其中,环氧树脂、固化剂、BXLS嵌段共聚物的重量配比为:环氧树脂20份、固化剂8份、BXLS嵌段共聚物0.5~2份;该发明通过控制BXLS嵌段共聚物中BX-OH、PCL与PS的分子量,制备出了BXLS/环氧树脂复合材料,使得BXLS嵌段共聚物在环氧树脂中形成了纳米壳核结构,并在BXLS嵌段共聚物添加量极低的情况下实现了材料韧性的显著增加并且还具有更优异的力学强度,极大的拓宽了环氧树脂的应用领域。CN101864261A公开了两性嵌段共聚物改性的环氧树脂以及由此制造的粘合剂。该发明提供一种可固化的粘合剂环氧树脂组合物,包括环氧树脂和两性嵌段共聚物,该两性嵌段共聚物包含至少一个环氧树脂可混溶的嵌段部分和至少一个环氧树脂不混溶的嵌段部分;其中不混溶的嵌段部分包括至少一个聚醚结构,条件是所述不混溶的嵌段部分的聚醚结构包含一个或多个具有至少四个碳原子的环氧烷单体单元,所述两性嵌段共聚物以一定量存在以使得当该环氧树脂组合物固化时,与没有所述两性聚醚嵌段共聚物的环氧树脂组合物相比,所得固化环氧粘合剂树脂组合物的粘合强度增加。虽然通过在组分中添加嵌段共聚物成功的提高了环氧树脂组合物的断裂韧性,但是断裂韧性提高并不显著。
因此开发一种断裂韧性较高,综合性能优异的环氧树脂组合物,十分重要。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种环氧树脂组合物及其制备方法和应用,所述环氧树脂组合物包括环氧树脂、固化剂、固化促进剂和聚苯乙烯-聚乙二醇-聚苯乙烯的组合,所述聚苯乙烯-聚乙二醇-聚苯乙烯中至少一个嵌段可与环氧树脂基质混溶,另一嵌段与环氧树脂基质不混溶,进而可以有效提高所述环氧树脂组合物的断裂韧性,且所述聚苯乙烯-聚乙二醇-聚苯乙烯的加入,不会降低所述环氧树脂组合物的其他性能,具有重要的研究意义。
为达到此发明目的,本发明采用以下技术方案:
第一方面,本发明提供一种环氧树脂组合物,所述环氧树脂组合物按照重量份包括如下组分:环氧树脂20~60重量份、固化剂8~30重量份、固化促进剂2~6重量份、聚苯乙烯-聚乙二醇-聚苯乙烯1~10重量份。
所述环氧树脂可以为24重量份、28重量份、32重量份、36重量份、40重量份、44重量份、48重量份、52重量份或56重量份等。
所述固化剂可以为10重量份、12重量份、14重量份、16重量份、18重量份、20重量份、22重量份、24重量份、26重量份或28重量份等。
所述固化促进剂可以为2.4重量份、2.8重量份、3.2重量份、3.6重量份、4重量份、4.4重量份、4.8重量份、5.2重量份或5.6重量份等。
所述聚苯乙烯-聚乙二醇-聚苯乙烯可以为1.5重量份、2重量份、2.5重量份、3重量份、3.5重量份、4重量份、4.5重量份、5重量份、5.5重量份、6重量份、7重量份、8重量份或9重量份等。
本发明提供的环氧树脂组合物通过在环氧树脂基体中添加聚苯乙烯-聚乙烯醇-聚苯乙烯(PS-b-PEO-b-PS)。PS-b-PEO-b-PS溶于环氧树脂后,中间的PEO嵌段是柔性链,在环氧树脂组合物中两端的PS嵌段会相互靠近,而使PEO链段发生弯曲,因此可以使得所述环氧树脂组合物在断裂前吸收一定能量,因此使其具有较高的断裂韧性。
本发明提供的添加有PS-b-PEO-b-PS的环氧树脂组合物的固化胶放大44000倍和放大70000倍的截面扫描电镜图如图1和图2所示,从图1和图2可以看出PS-b-PEO-b-PS可以在环氧树脂中自组装成纳米级的微结构,这些微结构由于自身体积较小,因此对环氧树脂的力学性能几乎没有影响,这些微结构在环氧树脂受到外力作用时可以吸收一部分能量,从而避免环氧树脂自身被损坏,从而达到增加韧性的效果。
本发明提供的环氧树脂组合物中的PS-b-PEO-b-PS均可通过已经报道过的合成路线进行合成,所述合成路线可以包括如下步骤:
(1)聚(乙二醇)大分子引发剂的制备:
将5mmol羟基聚乙二醇羟基(HO-PEO-OH)(n=90)加入双排管中。在温度60℃减压条件下,干燥保持60min,然后加入80mL无水四氢呋喃(THF),冷却至室温,之后再加入10mmol三乙胺,得到第一反应溶液;将10mmol 2-溴代异丁酰溴稀释于无水THF中,在20min内将其滴加到第一反应溶液中,搅拌反应48小时后,过滤,蒸发,可以得到聚(乙二醇)大分子引发剂(Br-PEO-Br);
羟基聚乙二醇羟基和2-溴代异丁酰溴反应过程如式I所示:
(2)PS-b-PEO-b-PS的合成:
0.5mmol步骤(1)得到的Br-PEO-Br大分子引发剂、50mg的CuBr、12.8g苯乙烯和86.5mg五甲基二乙烯三胺(PMDETA)共同加入烧瓶中,加热至100℃,反应4h,冷却至室温,用THF稀释反应产物,去铜盐、沉淀、干燥,得到所述PS-b-PEO-b-PS(n=90,m=67,Mw/Mn=1.12)。
Br-PEO-Br生成PS-b-PEO-b-PS的反应式如式Ⅱ所示:
其他PS-b-PEO-b-PS的合成方法可参考现有技术进行,例如参考“Generation oflarge and locally aligned wormlike micelles in block copolymer/epoxy blends”,Agustina B.Leonardi,Ileana A.Zucchi,Roberto J.J.Williams,European.PolymerJournal,2015,65,202-208;或参考“Mechanism of Reaction-Induced MicrophaseSeparation.Macromolecules”,Meng F,Zheng S,Li H,Macromolecules,2006,39,5072-5080。
优选地,所述环氧树脂的环氧当量为150~300g/eq,例如170g/eq、190g/eq、210g/eq、230g/eq、250g/eq、270g/eq或290g/eq,以及上述点值之间的具体点值,限于篇幅及出于简明的考虑,本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地,所述环氧树脂包括双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、体双酚S型环氧树脂、脂环族环氧树脂或酚醛环氧树脂中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,所述固化剂包括1,3-苯二胺、三乙胺、苄基二甲胺、乙醇胺或三乙醇胺中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,所述固化促进剂包括2-乙基-4-甲基咪唑、2-苯基咪唑、2-苯基-4-甲基咪唑、2-十一碳烷基咪唑或2-十七碳烷基咪唑中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,所述聚苯乙烯-聚乙二醇-聚苯乙烯的分子量为3000~200000Da,例如5000Da、7000Da、9000Da、11000Da、14000Da、18000Da、50000Da、150000Da、170000Da、180000Da或190000Da,以及上述点值之间的具体点值,限于篇幅及出于简明的考虑,本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地,所述环氧树脂组合物还包括填料和/或偶联剂。
优选地,所述环氧树脂组合物中填料的含量为10~50重量份,例如14重量份、18重量份、22重量份、26重量份、30重量份、34重量份、38重量份、42重量份或46重量份等。
优选地,所述填料包括碳酸钙、气相二氧化硅、二氧化钛、硅微粉或氧化铝粉中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,所述环氧树脂组合物中偶联剂的含量为0.2~0.5重量份,例如0.22重量份、0.24重量份、0.26重量份、0.28重量份、0.3重量份、0.32重量份、0.34重量份、0.36重量份、0.38重量份、0.4重量份、0.42重量份、0.44重量份、0.46重量份或0.48重量份等。
优选地,所述偶联剂包括γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷或γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中的任意一种或至少两种的组合。
第二方面,本发明提供一种如第一方面所述环氧树脂组合物的制备方法,所述制备方法包括如下步骤:
(1)将聚苯乙烯-聚乙二醇-聚苯乙烯和环氧树脂混合,得到母液;
(2)将步骤(1)得到的母液、固化剂和固化促进剂混合,得到所述环氧树脂组合物。
优选地,步骤(1)所述混合的在真空条件下进行。
优选地,步骤(1)所述混合的时间为2~6h,例如2.4h、2.8h、3.2h、3.6h、4h、4.4h、4.8h、5.2h或5.6h,以及上述点值之间的具体点值,限于篇幅及出于简明的考虑,本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地,步骤(1)所述混合的温度为60~130℃,例如65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、120℃或125℃,以及上述点值之间的具体点值,限于篇幅及出于简明的考虑,本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地,步骤(2)所述混合在真空条件下进行。
优选地,步骤(2)所述混合的时间为10~30min,例如12min、14min、16min、18min、20min、22min、24min、26min或28min,以及上述点值之间的具体点值,限于篇幅及出于简明的考虑,本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地,步骤(2)所述混合的温度为60~80℃,例如62℃、64℃、66℃、68℃、70℃、72℃、74℃、76℃或78℃,以及上述点值之间的具体点值,限于篇幅及出于简明的考虑,本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
优选地,步骤(2)所述混合结束后还包括加入填料和/或偶联剂进行混合60~80min(例如62min、64min、66min、68min、70min、72min、74min、76min或78min等)的步骤。
第三方面,本发明提供一种如第一方面所述的环氧树脂组合物在粘合剂中的应用。
优选地,所述粘合剂为应用于微电极连接、风力叶片、船舶、汽车或飞机中的粘合剂。
相对于现有技术,本发明具有以下有益效果:
本发明提供的一种环氧树脂组合物通过在环氧树脂基体中添加特定份数的聚苯乙烯-聚乙二醇-聚苯乙烯,所述聚苯乙烯-聚乙二醇-聚苯乙烯中至少一个嵌段是可与环氧树脂基质混溶,另一嵌段与环氧树脂基质不混溶,进而得到了断裂韧性较高的环氧树脂组合物,且所述聚苯乙烯-聚乙二醇-聚苯乙烯的加入,大幅度提高了所述树脂组合物的断裂韧性,具体而言,本发明提供的树脂组合物的断裂韧性为2.15~3.01MPa·m1/2;因此可以得到综合性能优异的环氧树脂组合物,可以广泛应用于电子电气、航天航空、涂料、建筑、汽车等领域,具有重要研究意义。
附图说明
图1为本发明提供的环氧树脂组合物固化胶放大44000倍的截面电镜图;
图2为本发明提供的环氧树脂组合物固化胶放大70000倍的截面电镜图;
图3为本发明实施例1中PS-b-PEO-b-PS的核磁谱图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了,所述实施例仅仅是帮助理解本发明,不应视为对本发明的具体限制。
实施例1~5
一种环氧树脂组合物,具体组分如表1所示,各组分的用量单位为“重量份”;
表1
实施例1~5所述环氧树脂组合物均采用如下方法进行制备,所述制备的方法包括如下步骤:
(1)将聚苯乙烯-聚乙二醇-聚苯乙烯(分子量为18000Da,m=67,n=90)和环氧树脂(巴陵石化型号Cyd128)在100℃下混合4h,得到母液;
(2)将步骤(1)得到的母液、1,3-苯二胺和2-乙基-4-甲基咪唑在70℃下混合20min,再加入气相二氧化硅和γ-氨丙基三乙氧基硅烷进行混合70min,得到所述环氧树脂组合物。
实施例1~5中用到的PS-b-PEO-b-PS可通过已报道方法进行合成,其结构式如下:
实施例1~5中用到的PS-b-PEO-b-PS的核磁表征如图3所示。
实施例6
一种环氧树脂组合物,其与实施例1的区别仅在于使用分子量为14000Da,m=37,n=144的PS-b-PEO-b-PS替换聚苯乙烯-聚乙二醇-聚苯乙烯(分子量为18000Da,m=67,n=90),其他组分、用量和步骤均与实施例1相同。
对比例1
一种环氧树脂组合物,其与实施例1的区别在于,不添加PS-b-PEO-b-PS,其它组分、用量以及制备方法均与实施例1相同。
性能测试:
(1)断裂应力和弹性模量:使用Instron万能拉伸仪Legend 2367进行测量。将环氧树脂组合物制成哑铃型拉伸样品,每组至少三个样品,将哑铃型拉伸样夹在万能拉伸仪器上,设置拉伸速度为2mm/min,开始测试,测出断裂应力,通过曲线斜率计算出弹性模量。
(2)断裂韧性:根据ASTM D5045-2014标准采用单边缘缺口三点弯曲法进行测量。
按照上述测试对实施例1~6和对比例1提供的环氧树脂组合物在130℃下固化处理3h得到的固化胶进行测试,测试结果如表2所示:
表2
弹性模量(GPa) | 断裂应力(N) | 韧性(K<sub>IC</sub>,MPa·m<sup>1/2</sup>) | |
实施例1 | 1.45 | 54.8 | 2.28 |
实施例2 | 1.32 | 53.5 | 2.45 |
实施例3 | 1.25 | 49.2 | 2.84 |
实施例4 | 1.04 | 44.3 | 3.01 |
实施例5 | 1.38 | 43.6 | 2.15 |
实施例6 | 1.33 | 48.7 | 2.45 |
对比例1 | 2.70 | 78.5 | 0.75 |
根据表2数据可以看出:本发明提供的树脂组合物通过在树脂基体中添加PS-b-PEO-b-PS,时得到的环氧树脂组合物的断裂韧性具有显著提高。
具体而言,本发明提供的树脂组合物的断裂韧性为2.15~3.01MPa·m1/2在添加PS-b-PEO-b-PS少量时实施例1)即可达到良好的增韧效果,断裂韧性是不添加PS-b-PEO-b-PS的树脂组合物(对比例1)时的3倍,且对弹性模量影响较小;并且比较实施例1~6,可以发现随着PS-b-PEO-b-PS添加量的增加,得到的树脂组合物的段裂韧性继续提升,树脂组合物的固化物脆性降低,韧性提高表现为弹性模量和断裂应力下降和KIC值上升。
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明一种环氧树脂组合物及其制备方法和应用,但本发明并不局限于上述工艺步骤,即不意味着本发明必须依赖上述工艺步骤才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种环氧树脂组合物,其特征在于,所述环氧树脂组合物按照重量份包括如下组分:环氧树脂20~60重量份、固化剂8~30重量份、固化促进剂2~6重量份、聚苯乙烯-聚乙二醇-聚苯乙烯1~10重量份。
2.根据权利要求1所述的环氧树脂组合物,其特征在于,所述环氧树脂的环氧当量为150~300g/eq;
优选地,所述环氧树脂包括双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚S型环氧树脂、脂环族环氧树脂或酚醛环氧树脂中的任意一种或至少两种的组合。
3.根据权利要求1或2所述的环氧树脂组合物,其特征在于,所述固化剂包括1,3-苯二胺、三乙胺、苄基二甲胺、乙醇胺或三乙醇胺中的任意一种或至少两种的组合。
4.根据权利要求1~3任一项所述的环氧树脂组合物,其特征在于,所述固化促进剂包括2-乙基-4-甲基咪唑、2-苯基咪唑、2-苯基-4-甲基咪唑、2-十一碳烷基咪唑或2-十七碳烷基咪唑中的任意一种或至少两种的组合。
5.根据权利要求1~4任一项所述的环氧树脂组合物,其特征在于,所述聚苯乙烯-聚乙二醇-聚苯乙烯的分子量为3000~200000Da。
6.根据权利要求1~5任一项所述的环氧树脂组合物,其特征在于,所述环氧树脂组合物还包括填料和/或偶联剂;
优选地,所述环氧树脂组合物中填料的含量为10~50重量份;
优选地,所述填料包括碳酸钙、气相二氧化硅、二氧化钛、硅微粉或氧化铝粉中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述环氧树脂组合物中偶联剂的含量为0.2~0.5重量份;
优选地,所述偶联剂包括γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷或γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中的任意一种或至少两种的组合。
7.一种如权利要求1~6任一项所述环氧树脂组合物的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括如下步骤:
(1)将聚苯乙烯-聚乙二醇-聚苯乙烯和环氧树脂混合,得到母液;
(2)将步骤(1)得到的母液、固化剂和固化促进剂混合,得到所述环氧树脂组合物。
8.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述混合在真空条件下进行;
优选地,步骤(1)所述混合的时间为2~6h;
优选地,步骤(1)所述混合的温度为60~130℃。
9.根据权利要求7或8所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述混合在真空条件下进行;
优选地,步骤(2)所述混合的时间为10~30min;
优选地,步骤(2)所述混合的温度为60~80℃;
优选地,步骤(2)所述混合结束后还包括加入填料和/或偶联剂进行混合60~80min的步骤。
10.一种如权利要求1~6任一项所述的环氧树脂组合物在粘合剂中的应用;
优选地,所述粘合剂为应用于微电极连接、风力叶片、船舶、汽车或飞机中的粘合剂。
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