涂料技术
环氧树脂-聚酰亚胺胶粘剂的研究进展
研究发现,向环氧树脂中引入双马来酰亚胺(BMI),在聚合过程中可能会形成互穿网络或2相体系从而增韧和提高耐热性。双马来酰亚胺(BMI)树脂是一种耐高温、耐潮湿的交联型聚酰亚胺,在形成过程中没有小分子放出。BMI比环氧树脂具有更大的链刚性,因此完全固化产物具有更高的T、更好的热稳定性和热氧稳定性、相当小的吸水性。从原理上讲,合适的共混物会比TGDDM的吸水性低得多,并且会比BMI树脂的加工性好得多。
有人将双马来酰亚胺(BMI)和聚氧化丙烯型聚氨酯交联环氧树脂混合,然后聚合形成互穿聚合物网络(IPNs)。研究发现含有PU链段越长,BMI/PU-EP互穿网络的拉伸强度随BMI含量的增加会越低。在随后制备的聚丁二烯基二酸类聚氨酯交联的环氧树脂和双马来酰亚胺互穿聚合物网络中,双马来酰亚胺主要溶解在环氧树脂基的聚氨酯区而形成互容系统,从而提高了互穿网络的互穿程度并且最终提高了网络机械强度。因此当双马来酰亚胺的质量分数增加到5%时拉伸强度增大,但其质量分数大于5%时,由于BMI决定了PU区域的刚性和脆性,BMI/PU-EP互穿网络的拉伸强度反而会随BMI含量增加而降低;BMI质量分数进一步到达大于10%时,BMI和PU-EP形成高度互穿的网络结构,使分子间的物理缠结(即IPN效应)增加,也就使BMI/PU-EP互穿网络的交联密度随BMI含量的增加而增大,从而使互穿网络的拉伸强度增加。以上研究可知,BMI/PU-EP互穿网络的Izod冲击强度随BMI含量的增加而降低,Gic值随BMI含量的增加没有很明显的变化。这是由高交联密度的BMI与PU-EP的高相容性和固化的BMI树脂的刚性和脆性同时作用的结果。BMI树脂的T大于环氧树脂开始分解的温度,导致互穿网络只检测到一个T。而BMI在2体系的溶解性的不同导致T随BMI含量的变化趋势也不一样,前者的T与BMI含量无关,而后者的T则随BMI含量的增加而升高。还有人专门研究了BMI的引入对T造成影响的原因。他们认为BMI改性环氧树脂和BMI改性的硅氧烷化环氧树脂T的升高是由于BMI的自加成、而不是由于发生了迈克尔加成引起的。因为迈克尔加成反应形成热不稳定键连结构且随链延长最终会降低交联密度。但BMI自加成反应会形成热稳定的C-C键。BMI改性环氧树脂和BMI改性硅氧烷化环氧树脂的热分解温度均随BMI含量的增大而增加,这可能是由于BMI中含有热稳定的芳杂环结构及与环氧树脂形成了交联结构。
2.2亚胺环引入到环氧树脂骨架
将亚胺环引入环氧树脂骨架是一种较为独特的研究角度。已合成的含亚胺环的二缩水甘油化合物如式(1)。
有人将双马来酰亚胺(BMI)和聚氧化丙烯型聚氨酯交联环氧树脂混合,然后聚合形成互穿聚合物网络(IPNs)。研究发现含有PU链段越长,BMI/PU-EP互穿网络的拉伸强度随BMI含量的增加会越低。在随后制备的聚丁二烯基二酸类聚氨酯交联的环氧树脂和双马来酰亚胺互穿聚合物网络中,双马来酰亚胺主要溶解在环氧树脂基的聚氨酯区而形成互容系统,从而提高了互穿网络的互穿程度并且最终提高了网络机械强度。因此当双马来酰亚胺的质量分数增加到5%时拉伸强度增大,但其质量分数大于5%时,由于BMI决定了PU区域的刚性和脆性,BMI/PU-EP互穿网络的拉伸强度反而会随BMI含量增加而降低;BMI质量分数进一步到达大于10%时,BMI和PU-EP形成高度互穿的网络结构,使分子间的物理缠结(即IPN效应)增加,也就使BMI/PU-EP互穿网络的交联密度随BMI含量的增加而增大,从而使互穿网络的拉伸强度增加。以上研究可知,BMI/PU-EP互穿网络的Izod冲击强度随BMI含量的增加而降低,Gic值随BMI含量的增加没有很明显的变化。这是由高交联密度的BMI与PU-EP的高相容性和固化的BMI树脂的刚性和脆性同时作用的结果。BMI树脂的T大于环氧树脂开始分解的温度,导致互穿网络只检测到一个T。而BMI在2体系的溶解性的不同导致T随BMI含量的变化趋势也不一样,前者的T与BMI含量无关,而后者的T则随BMI含量的增加而升高。还有人专门研究了BMI的引入对T造成影响的原因。他们认为BMI改性环氧树脂和BMI改性的硅氧烷化环氧树脂T的升高是由于BMI的自加成、而不是由于发生了迈克尔加成引起的。因为迈克尔加成反应形成热不稳定键连结构且随链延长最终会降低交联密度。但BMI自加成反应会形成热稳定的C-C键。BMI改性环氧树脂和BMI改性硅氧烷化环氧树脂的热分解温度均随BMI含量的增大而增加,这可能是由于BMI中含有热稳定的芳杂环结构及与环氧树脂形成了交联结构。
2.2亚胺环引入到环氧树脂骨架
将亚胺环引入环氧树脂骨架是一种较为独特的研究角度。已合成的含亚胺环的二缩水甘油化合物如式(1)。
亚胺环结构是双环[2.2.2]-辛-7-烯-2,3,5,6-四羧酸二酐的衍生物,有助于提高树脂的耐热性;脂肪链结构有助于提高树脂的加工性。固化反应可能是因为环氧受到亚胺氮攻击而开环,更可能是因作为催化剂的羟基或羧基的作用。双环[2.2.2]辛-7-烯结构在氮气中于360℃时会发生反Diels-Alder反应,似乎说明交联网络有足够的柔性使得在较高温度时能够进一步发生反应。用DTG测定了最大失重速率时的温度和这一温度下的失重速率。失重主要发生在450℃以上。树脂700℃时的残炭率与组成有关,形成的树脂中含有芳环结构使残炭率升高。还有专家用4-甲基氨基吡啶(DMAP),DDM,DICY作为偏苯三酸酰亚胺二缩水甘油酯固化催化剂。据中国环氧树脂行业协会介绍,T数据表明偏苯三酸酰亚胺二缩水甘油酯固化物的开始降解温度和失重10%的温度对固化剂没有太大的依赖性,从热失重曲线可以看出有几个降解过程共存。
2.3聚酰亚胺类固化剂固化环氧树脂
用来固化环氧树脂的聚酰亚胺类固化剂经常在分子链上带有羟基,或者分子链2端带有氨基、羟基或羧基等能提供活性氢的基团。这些活性基团可以在一定条件下使环氧基开环发生加成反应,进而使环氧树脂交联固化。
如用2,2-双(3,4-二羧基苯基)六氟丙烷二酐和3,3'-二氨基-4,4'-二羟基联苯反应制备含羟基官能团的聚酰亚胺。再用不同比例的这种聚酰亚胺通过羟基使环氧开环固化。制成的透明薄膜有优异的耐溶剂性能,这证明了聚酰亚胺与环氧树脂形成了网络结构。随聚酰亚胺含量的增加,树脂的弯曲模量增加,但断裂伸长率几乎没有改变,T变高,这反映了聚酰亚胺与环氧树脂的相容性较好,同时也使树脂的热稳定性增强,5%失重温度为343~366℃,超过了二苯砜二胺固化环氧树脂。
虞鑫海等人以马来酸酐(MA)为封端剂,以2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷(BAHPFP)、2,2-双[4-(4-氨基苯氧基)苯基]丙烷(BAPOPP)、2,2-双[4-(3,4-二羧基苯氧基)苯基]丙烷二酐(BPADA)为主原料合成了含酚羟基的聚醚酰亚胺树脂(HPEI);以HPEI为耐高温增韧剂,与N,N,N,N-四缩水甘油基-4,4′-二氨基二苯甲烷(TGDDM)、氢化双酚A环氧树脂(HBPAE)、潜伏性固化剂等配制了综合性能优异的耐高温单组分环氧胶粘剂。HPEI对TGDDM和HBPAE体系具有优异的增韧效果。通过HPEI对TGDDM和HBPAE的共聚增韧改性,加入潜伏性固化剂和溶剂制得了性能优异的耐高温单组分环氧胶粘剂,其25℃的拉伸剪切强度可达24.9MPa;120℃的拉伸剪切强度则为24.2MPa,并具有较低的吸水性(2.1%)。在150℃下固化时,随着固化时间的延长,25℃和120℃的拉伸剪切强度均增加,并在4.0h后均达到最大值,分别为24.8MPa和24.1MPa。25℃和120℃的拉伸剪切强度,随着固化温度的提高而增加,但在150℃以上固化时,其25℃和120℃的拉伸剪切强度趋向平衡,并达到最大值。
王宇光等人采用双马来酰亚胺对芳香族二胺固化剂进行改性。一方面增加了固化剂的极性,提高了胶粘剂的内聚强度,从而改善胶粘剂粘接性能;另一方面因分子链的延长,降低了固化物的交联密度,而使残余固化应力降低,同时还减少了胶粘剂性能对组分配比的敏感性。另外也由于分子链中BMI链节的刚性很强,赋予固化物较好的耐热性能。采用这种方法,一方面在固化物结构中引入了BMI,有利于提高耐热性和粘接强度,另一方面由于BMI不直接参与固化反应,仍可在较低温度下实现固化。耐热性能较好的环氧树脂/胺类固化剂体系通常韧性较低,他们用单官能脂肪族环氧醚对BMDPM改性胺固化剂WDDM521增韧改性,得到GHJ1。由于分子中引入了双马来酰亚胺结构和部分脂肪族环氧醚,GHJ1与环氧树脂的固化物既有较好的耐湿热性能,亦有一定柔韧性,而且使固化体系高温流变性能得到改善。
3结语
环氧树脂-聚酰亚胺胶粘剂体系具有优异的性能,但是我国在此领域的基础研究还相对薄弱。今后应在提高耐热性、韧性、电性能的同时,改善加工成型工艺、降低生产成本。
2.3聚酰亚胺类固化剂固化环氧树脂
用来固化环氧树脂的聚酰亚胺类固化剂经常在分子链上带有羟基,或者分子链2端带有氨基、羟基或羧基等能提供活性氢的基团。这些活性基团可以在一定条件下使环氧基开环发生加成反应,进而使环氧树脂交联固化。
如用2,2-双(3,4-二羧基苯基)六氟丙烷二酐和3,3'-二氨基-4,4'-二羟基联苯反应制备含羟基官能团的聚酰亚胺。再用不同比例的这种聚酰亚胺通过羟基使环氧开环固化。制成的透明薄膜有优异的耐溶剂性能,这证明了聚酰亚胺与环氧树脂形成了网络结构。随聚酰亚胺含量的增加,树脂的弯曲模量增加,但断裂伸长率几乎没有改变,T变高,这反映了聚酰亚胺与环氧树脂的相容性较好,同时也使树脂的热稳定性增强,5%失重温度为343~366℃,超过了二苯砜二胺固化环氧树脂。
虞鑫海等人以马来酸酐(MA)为封端剂,以2,2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷(BAHPFP)、2,2-双[4-(4-氨基苯氧基)苯基]丙烷(BAPOPP)、2,2-双[4-(3,4-二羧基苯氧基)苯基]丙烷二酐(BPADA)为主原料合成了含酚羟基的聚醚酰亚胺树脂(HPEI);以HPEI为耐高温增韧剂,与N,N,N,N-四缩水甘油基-4,4′-二氨基二苯甲烷(TGDDM)、氢化双酚A环氧树脂(HBPAE)、潜伏性固化剂等配制了综合性能优异的耐高温单组分环氧胶粘剂。HPEI对TGDDM和HBPAE体系具有优异的增韧效果。通过HPEI对TGDDM和HBPAE的共聚增韧改性,加入潜伏性固化剂和溶剂制得了性能优异的耐高温单组分环氧胶粘剂,其25℃的拉伸剪切强度可达24.9MPa;120℃的拉伸剪切强度则为24.2MPa,并具有较低的吸水性(2.1%)。在150℃下固化时,随着固化时间的延长,25℃和120℃的拉伸剪切强度均增加,并在4.0h后均达到最大值,分别为24.8MPa和24.1MPa。25℃和120℃的拉伸剪切强度,随着固化温度的提高而增加,但在150℃以上固化时,其25℃和120℃的拉伸剪切强度趋向平衡,并达到最大值。
王宇光等人采用双马来酰亚胺对芳香族二胺固化剂进行改性。一方面增加了固化剂的极性,提高了胶粘剂的内聚强度,从而改善胶粘剂粘接性能;另一方面因分子链的延长,降低了固化物的交联密度,而使残余固化应力降低,同时还减少了胶粘剂性能对组分配比的敏感性。另外也由于分子链中BMI链节的刚性很强,赋予固化物较好的耐热性能。采用这种方法,一方面在固化物结构中引入了BMI,有利于提高耐热性和粘接强度,另一方面由于BMI不直接参与固化反应,仍可在较低温度下实现固化。耐热性能较好的环氧树脂/胺类固化剂体系通常韧性较低,他们用单官能脂肪族环氧醚对BMDPM改性胺固化剂WDDM521增韧改性,得到GHJ1。由于分子中引入了双马来酰亚胺结构和部分脂肪族环氧醚,GHJ1与环氧树脂的固化物既有较好的耐湿热性能,亦有一定柔韧性,而且使固化体系高温流变性能得到改善。
3结语
环氧树脂-聚酰亚胺胶粘剂体系具有优异的性能,但是我国在此领域的基础研究还相对薄弱。今后应在提高耐热性、韧性、电性能的同时,改善加工成型工艺、降低生产成本。
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