《环氧树脂的改性》PPT课件.ppt

环氧树脂的改性 聚氨酯改性环氧树脂机理与性能分析 环氧树脂的改性方法 互穿网络聚合物增韧环氧树脂 聚氨酯及其性能简介 Contents 环氧树脂及其性能简介 Titleinhere 我国环氧树脂的研究与生产比世界环氧树脂工业化晚了10年左右 我国环氧树脂的开发始于1956年 在沈阳 上海两地首先获得了成功 1958年上海开始了工业化生产 随着我国化工业的不断发展 环氧树脂不仅产量日益增多 质量不断提高 而且新品种也发展较快 在人们的生活中起着越来越重要的作用 但是和世界先进水平相比 在生产规模 产品质量 品种方面还存在很大的差距 我国的环氧树脂行业存在生产规模小 产量低 装置分散 开工率低等严重不足 从产品品种分析 我国通用环氧树脂产量占95 特种环氧树脂的比例远远低于世界发达国家 前言 环氧树脂以其优良的性能在电气 电子行业得以广泛应用 随着相关产业技术水平的提高 对环氧树脂的耐热性及韧性提出了更高的要求 而这两种性能又是相互制约的 依靠简单的方法很难同时得到提高 互穿聚合物网络 IPN 的协同效应可使聚合物的冲击强度和耐热性同时提高 所以主要采用同步互穿聚合物网络技术制备增韧耐热的聚氨酯环氧树脂体系 旨在进一步拓展环氧树脂的应用范围 以便占领更广域的材料市场 1 环氧树脂的改性方法 2 环氧树脂及其性能简介 按状态 2 1环氧树脂的分类 按化学结构 1 缩水甘油醚类树脂 2 缩水甘油酯类树脂 3 缩水甘油胺类树脂 4 脂环族环氧化合物 5 线状脂肪族环氧化合物 环氧树脂可分为液态环氧树脂和固态环氧树脂 属于液态环氧树脂是一部分低分子量树脂 固态环氧树脂通常以薄片状来使用 按制造方法 1 环氧氯丙烷与相应的醇 酚 酸 胺缩合而成 2 由过氧酸与烯类化合物的双键加成而得到 环氧树脂是指至少带有两个环氧基团并在适当的化学试剂存在下能形成三维交联网络状固化物的化合物总称 良好的加工性 机械强度高 优良的电绝缘性 固化后的环氧树脂形成的三维交联结构致密又封闭所以它既耐酸又耐碱及多种介质 环氧树脂的固化主要是依靠环氧基的开环加成聚合 因此固化过程中不产生低分子物 在固化过程中没有低分子物质放出 可以在常压下成型 不要求放气或变动压力 因此操作十分方便 不需要过分高的技术和设备 固化后的环氧树脂具有很强的内聚力 分子结构致密所以它的机械强 具有活性极大的环氧基 醚键和羟基 它们使环氧树脂的分子和相邻界面产生化学键生成三维网状结构的大分子 固化后的环氧树脂吸水率低 不再具有活性基团和游离的离子因此具有优异的电绝缘性 稳定性好 环氧树脂的性质 粘接强度高粘接面广 收缩率低 2 2环氧树脂的性质 2 3环氧树脂的固化反应 加成固化 催化聚合 缩聚交联 自由基引发固化 环氧树脂本身是一种热塑性高分子的预聚体 呈粘性液体或脆性固体 单纯的树脂几乎没有多大的使用价值 只有加入称作固化剂的物质进行固化反应生成三维交联网络结构 不溶不熔的高聚物后 才能呈现出一系列优良的性能 实现最终用途 根据环氧树脂与固化剂的反应历程 可将固化反应分为加成固化反应 催化聚合反应 缩聚交联反应和自由基引发固化反应 Titleinhere 3 聚氨酯及其性能简介 一 聚氨酯主要是由多异氰酸酯 主要原料为二异氰酸酯 与多元醇 包括聚酯多元醇和聚醚多元醇 通过逐步加成聚合而成 分子链中含有较多氨基甲酸酯基团 从分子结构上看 聚氨酯是嵌段聚合物一般由低聚物多元醇柔性长链构成软段 以二异氰酸酯及扩链剂构成硬段 软段和硬段交替排列 形成重复结构单元 除含有氨基甲酸酯基团外 还含有脲基团 醚或酯基 由于大量极性基团的存在 聚氨酯分子内及分子间可形成氢键 软段和硬段可形成微相区并产生微相分离 即使是线性聚氨酯也可以通过氢键形成物理交联 这些结构特点使得聚氨酯具有优异的耐磨性和韧性 Titleinhere 3 聚氨酯及其性能简介 二 聚氨酯具有优良得综合性能 模量介于一般橡胶和塑料之间 具有以下特性 可在较宽的范围内保持较高的弹性和强度 优异的耐磨性 其耐磨性是天然橡胶的2 10倍 耐油脂及耐化学品性优良 芳香族聚氨酯耐辐射 耐氧性和臭氧性能优良 耐疲劳性及抗震动性好 适于高频挠曲应用 抗冲击性高 低温柔韧性好 聚氨酯除上述种种特点外 还易于与其它单体或聚合物混合 进行互不干扰的平行反应 得到性能优良的聚氨酯互穿网络 因而成为目前研究最为广泛的一类互穿网络聚合物体系 4 互穿网络聚合物增韧环氧树脂 互穿网络聚合 InterpenetratingPolyerNetwork 简称IPN 是20世纪70年代发展起来的一种新型高分子材料 1960年J R Millar首次提出了 互穿聚合物网络 概念 它是指由两种或两种以上聚合物相互贯穿而形成的聚合物网络体系 参与互穿的聚合物相互交叉渗透 机械缠结 起到 强迫互溶 和 协同效应 的作用 实现聚合物性能互补 达到改性的目的 互穿网络聚合物可以看作是一种特殊的聚合物的共混物 从制各方法上它接近于接枝共聚共混法 从相间有无化学结合考虑 则接近于机械共混法因此 可以把IPN视为用化学法实现的机械共混物 由于其独特的结构形态 IPN在两方面表现出和机械掺混体及化学共聚物不同的性质 其一 在溶剂中只溶胀 不溶解 其二 流动和蠕变受到阻抑 环氧树脂的耐热性和韧性 由于相互制约 一般方法很难同时提高 而IPN的协同效应可使得聚合物的冲击强度 模量 断裂伸长 硬度和耐热性等同时高于每一组分 5 聚氨酯改性环氧树脂机理 一 聚氨酯对环氧树脂进行IPN结构改性 通过IPN的协同效应可以使得聚合物的冲击强度 模量 断裂伸长 硬度和耐热性等同时高于单一组分 得到耐热性 粘接强度 拉伸强度和韧性都比较理想的材料 达到增韧环氧树脂而不降低环氧树脂其他性能的目的 其反应过程可以分为以下几个步骤 1 合成端异氰酸酯基PU预聚体 5 聚氨酯改性环氧树脂机理 二 2 扩链剂及交联剂与PU预聚体发生反应 3 异氰酸酯基一NcO与环氧基反应生成烷酮结构的聚合物 5 聚氨酯改性环氧树脂机理 三 4 环氧树脂的固化反应环氧树脂的固化反应方程式因固化剂的种类及有无固化反应促进剂完全不同 无统一方程式可以表述 但实质都是环氧基发生开环聚合反应 或是羟基发生交联反应 逐步地进行固化反应 形成三维网络结构 5 材料微观形貌结果与分析 由于聚氨酯改性环氧树脂材料形成的互穿网络结构 是两个独立而互穿的网络交织 缠绕在一起 形态比较复杂 常随聚合物组分 聚合条件等变化而变化 其中PU EP两组分质量比是影响其相区大小和相容性的主要因素 左图为不同聚氨酯含量样品的扫描电镜图x50000倍 其中0号样品聚氨酯含量为0 b2一b4号样品聚氯酯含量分别为6 8 11 5 聚氨酯改性环氧树脂的力学性能 从表中可以看出 随着PU加入量的增多 材料的拉伸强度在一定范围内有所提高 冲击强度呈明显上升趋势 当加入的聚氨酯重量百分数为10 时 材料的拉伸强度达到55 31MPa 冲击强度达到20 17KJ m2 同纯环氧树脂相比 拉伸强度上升17 9 冲击强度上升84 4 5 聚氨酯改性环氧树脂的力学性能 二 当聚氨酯加入量为15 时 材料的拉伸强度69 39MPa 冲击强度达到23 56KJ m2 同纯环氧树脂相比 拉伸强度上升48 0 达到最大值 冲击强度上升了115 当聚氨酯加入量为20 时 材料的拉伸强度开始下降 为55 90MPa 但是同纯环氧树脂相比仍然上升了19 2 冲击强度达到最大值25 82K 1 m2 同纯环氧树脂相比上升了136 当聚氨酯加入量为25 时 材料的拉伸强度下降到45 23MPa 冲击强度稍有下降 达到23 83KJ m2 同纯环氧树脂相比 虽然拉伸强度变化不明显 但冲击强度有明显提高 5 聚氨酯改性环氧树脂的热性能 一 聚氨酯 环氧树脂体系的另一个重要目的就是在提高材料的冲击性能的同时 不降低材料的热性能 行热性能测试以考察改性结果 本实验通过TG曲线 探讨了聚氨酯预聚体加入量和环氧树脂不同种类对改性材料的热性能影响 通过测定纯环氧树脂体系和聚氨酯改性环氧树脂体系的固化过程DSC曲线 初步研究了两体系的固化反应动力学 测定了其表观活化能等参数 从图中可以看出 聚氨酯含量为15 的a3号样品的热稳定性最好 其失重l 的温度T1 为300 比0号样品的T1高了30 比含量为15 的a5号样品的T1高130 a3号的热失重50 时的半寿温度为378 0号样品的半寿温度为367 a5号样品的半寿温363 热稳定性最低 这种结果是同这三种聚合物材料的结构密切相关的 5 聚氨酯改性环氧树脂的热性能 二 对于纯环氧树脂体系 内部只存在环氧树脂的三维网络结构 对于聚氨酯改性环氧树脂体系 聚氨酯和环氧树脂这两种聚合物相互贯穿而形成互穿网络结构的聚合物网络 前面已经分析过 当聚氨酯含量为15 时 聚氨酯和环氧树脂的相容性较好 聚氨酯网络可以均匀分散于环氧树脂网络之中 同时两相间的永久缠结已经达到了饱和状态 交联密度达到最大 因此要破坏这种互穿网络结构就需要比破坏纯环氧树脂的单相网络结构更大的能量 这在材料的热稳定性