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环氧树脂特种固化剂的研制与应用

资讯类型：优秀专利加入时间：2008年4月11日9:47

　　　





　
摘要：本文介绍了一种特殊的可用于油面，水下、低温固化的环氧树脂固化剂的合成方法和应用。
    关键词：   环氧树脂固化剂    合成    应用

    1．引言

    环氧树脂产品正在向系列化，精细化，无色化、专用化，高纯化，绿色环保化方向、性价比最大化方向发展。与之相配套的固化剂产品正在形成规模化、高纯化、特色化、高性能化、专业化。开发一种新的环氧树脂固化剂，提供一种优异的固化性能，相当于又开拓了某一方面的新的环氧树脂应用领域。事实上，开发一种新型环氧树脂固化剂远比开发一种新型的环氧树脂容易得多。只须针对现有固化剂存在的某些固化缺陷，通过改进原料品种，配方或采用新型合成工艺路线即可得到[1]。适应特殊环境（潮湿、水下、户外低温环境等）使用的特种固化剂颇受欢迎。随着我国水利工程的大力建设，水库大坝的缺陷修补，水下工程的防腐堵漏，迫切需要一种能够水下粘接的固化剂；化工建筑厂房、旧房建筑结构改造加固，由于种种原因，不可能彻底清理干净油污，迫切需要一种能够油面粘接的固化剂；北方地区的冬季室外防腐施工作业要求环氧树脂固化体系具有良好的低温固化特性。专利[2]报道了一种可在低温，潮湿等特殊环境下快速固化的曼尼期碱固化剂的合成。但存在脆性大，强度不高的缺陷。夏文干[3]介绍了将苯酚，甲醛，间苯二甲胺缩合生成曼尼期碱，再加入甲基异丁基酮，完成酮亚胺化反应的酮亚胺固化剂的合成。该固化剂存在涂层厚度不能大于200μm，否则不能完全固化的缺陷。

    胺类是环氧树脂固化剂中用量最大，应用最广泛的固化剂，但存在诸多缺陷，必须采用物理或化学方法进行改性，胺的改性路线很多[4，5]，其中采用特殊的原料进行曼尼期缩合反应原理合成的曼尼期碱，可以满足上述性能要求。曼尼期反应（Mannich Reaction）又叫胺甲基化反应（Aminomethylation）[6]，其合成机理为利用酚类酚羟基的邻对位的反应活性，加入甲醛用亚甲基键与胺类活泼氢相连接，并缩合生成水，实际生产得到的产物为已发生部分三元缩聚反应的低聚物。

    适合作为曼尼期缩合反应的原料很多，例如胺类：乙二胺，己二胺，二乙烯三胺，三乙烯二胺，三乙烯四胺，多乙烯多胺，间苯二甲胺，间苯二胺，苯胺，异佛二酮二胺，N-乙基己二胺，1、2-二氨基丙烷，二乙二醇胺，二甲胺，二乙胺，长链胺如聚醚二胺（D400，D230），牛油二胺C18H35NH（CH2）3NH2，螺环二胺类，脂环胺类以及其它已改性的仍含有活泼氢的改性胺或其复配混合物等。

    醛类：甲醛，丁醛，乙醛，苯甲醛，甲缩醛，固体低聚甲醛等，通常采用37%的甲醛水溶液。

    酚类：苯酚，邻甲酚，混甲酚，辛基酚，壬基酚，对叔丁基酚，间苯二酚，双酚A，腰果酚，聚氧乙烯壬基酚醚、聚氧乙烯壬基酚醚、4，4`-二硫代酚、4-巯基酚、儿茶酚、苯胺、2，4-双（对氨基苄基苯胺）等。

    中昊晨光化工研究院（自贡）利用分子结构设计原理，以曼尼期缩合反应为基础，采用特殊原料和生产工艺进一步进行改性，合成得到一种特殊结构的特种环氧树脂固化剂，可以满足上述要求。

    2．实验部分

    2.1主要仪器和试剂

    环氧树脂(E-51、E-44)、低级多元伯胺类，JE胺、烷基酚、低聚甲醛、37%甲醛水溶液、含活性基团的改性剂等。

    电加热套、三口烧瓶(1000mL、5000mL)、平衡滴液漏斗(250mL)、蛇型冷凝管、水银温度计(0～200℃)、水银压力计、旋片式真空泵等。

    2.2合成实验

     将烷基酚，多种多元伯胺类、JE胺加入带搅拌装置和滴液漏斗的三颈烧瓶中，搅拌，升温溶解，当温度升高到40～100℃时，开始加入甲醛，反应温度60～120℃，时间1～4h。反应结束，脱出低沸物，冷却至20～60℃加入含活性基团的改性剂，反应0.5h，即得成品。

    2.3产品检测方法

    外观      室内自然光下目测
    胺值      化学滴定法
    粘度      GB265
    比重      GB4472
    折光率    GB6488

    2.4 树脂固化物机械性能测试方法

    剪切强度  GB/T 13936
    拉伸强度  GB1040
    弯曲强度  GB9341
    抗压强度  GB1041-92
    邵氏硬度  GB2411-80

    3．结果与讨论

    3.1 产品指标数据

    3.1.1外观                     淡黄色透明粘稠液体
    3.1.2胺值  （mgKOH/g）         550～750
    3.1.3粘度  （mPas  25℃）       2500～4000
    3.1.4比重                         1.1500～1.1800
    3.1.5折光率                       1.5500～1.5600

    3.2分子结构设计讨论

    大多数环氧树脂胺类固化剂为水溶性的和部分水溶性的。作为水下涂层或潮湿，湿表面涂层时，固化过程中固化剂会部分地溶解于水中逃逸出去，造成配比失调，不能完全固化环氧树脂。较早时期曾有报道采用低级多元伯胺与环氧树脂的加成物作为水下固化剂，该固化剂表现出不稳定的固化特性，寒冷状况下固化十分缓慢，固化涂层发软，强度偏低，耐化学药品性差，耐溶剂性能差。过去曾采用“聚酰胺”固化剂作为水下固化剂使用，由于其具有部分水溶性，该固化剂与水混合后形成一种软的胶体，水下施工时无法得到令人满意的固化涂层。

    作为环氧树脂低温水下固化剂进行分子结构设计时首先要求固化剂本身必须是非水溶性的，即分子结构中含有憎水基团，分子结构设计时必须引入憎水基团例如不溶于水的烷基酚，例如壬基酚等。其次作为参与固化反应的活性组分必须具有一定的固化速度尤其是良好的低温反应特性。在易得到的工业低级多元胺类中，JE胺属于强碱性胺，与环氧树脂环氧基团的低温反应活性高。将JE胺作为胺改性组分之一，可以赋予固化剂的快速固化特性。从表1可以看出，JE胺的kg1是乙二胺的100倍，kg2则是乙二胺的1000倍，离解常数kg1、kg2愈大，碱性愈强，固化活性愈高。

胺的离解常数比较       表1
离解常数 kg1 kg2
JE胺 7.19×10-3 5.78×10-4
乙二胺 5.5×10-4 3.6×10-7

    本固化剂通过独特的分子结构设计，多种活性组份经特殊生产工艺改性的胺类改性物。分子结构中含有较多活泼氢和促进环氧树脂固化的基团，反应活性高。分子中富含酚醛骨架结构，可进一步提高树脂固化物热变形温度，改善耐热性和耐腐蚀性，特别适合寒冷季节或环境气温低的场合使用，能在0℃左右、湿度大于80％的潮湿和水下等环境条件下固化环氧树脂。独具特色的是该固化剂具有穿透油膜、水膜使环氧树脂同粘接面强烈粘接的其它类型环氧树脂固化剂所不具备的独特性能，是环氧树脂固化应用上的重大突破，为环氧树脂的应用开辟了新领域。在附有水、油、酸、碱、盐溶液介质的物体表面都能使环氧树脂完全固化，固化物的强度高，附着力强，收缩率小，耐有机溶剂性能好，耐腐蚀性能优异，电绝缘性好。

    3.3影响因素讨论

    3.3.1原料种类

    分别采用37%的甲醛水溶液和固体甲醛进行合成试验，试验结果见表2。

原料种类影响表             表2
指标数据
原料名称实验过程指标情况
放热现象反应控制反应周期胺值
（m g KOH/g）粘度
（25℃mPas）折光率外观
37%甲醛水溶液 1# 明显方便长 605 2500 1.5526 红棕色透明粘性液体
2# 明显方便长 598 2480 1.5400
3# 明显方便长 612 2600 1.5450
固体甲醛 4# 明显不易控制短 601 4360 1.5529
5# 明显不易控制短 623 5400 1.5580

    从上表可以看出，采用37%甲醛水溶液由于系液体，可以采用滴加的方式控制甲醛的加入速度，从而有效控制反应的放热程度，使反应平稳均匀进行，采用固体甲醛由于是固体，只能采用分批次加入，但甲醛进入反应体系存在解聚的过程，如果没有控制好加入量，则反应相当剧烈，不易控制，最终产品粘度偏大。不过由于加入的固体甲醛不含有水，大大减轻反应后期脱出水分的负荷。

    3.3.2原料配比

    分别在1000ml的三口烧瓶中按照配方Ⅰ和配方Ⅱ进行试验，此试验主要使用不同胺用量进行对比，得到结果如表3。

原料配比影响表          表3
指标数据
配  方胺值（mgKOH/g）粘度
（25℃mPas）折光率外观
配方Ⅰ 批号 1# 593 1100 1.5529 红棕色透明粘性液体
2# 554 1480 1.5402
3# 561 2300 1.5460
配方Ⅱ 批号 4# 601 2480 1.5529
5# 637 3690 1.5629

    配方Ⅰ的胺总用量低于配方Ⅱ。从表2的数据可以看出，配方Ⅰ的胺值明显低于配方Ⅱ。可见在生产工艺一致的情况下，胺用量的改变主要影响产品的胺值。相同用量下配方Ⅰ所得产品由于胺值偏低，不利于固化，很难满足低温环境下的防腐工程的施工要求。因此为了保证固化剂的低温固化特性，必须控制合适的胺加入量，原则上应与酚投料量相当，并略过量。

    3.3.3 反应温度

    加料完毕，尚需在一定温度下维持一定时间才能充分完成缩合反应，在其它反应条件相同的情况下对不同的维持温度进行试验。结果如表4 。

反应温度影响因素           表4
  指标数据
反应温度胺值
（mgKOH/g）粘度
（25℃ mPas）折光率外观
1 40～70℃ 608 3500 1.5532 红棕色透明粘性液体
2 50～80℃ 610 3480 1.5575
3 60～90℃ 611 3480 1.5529
4 65～100℃ 607 3690 1.5629
5 70～110℃ 604 3850 1.5479 深红棕色透明粘性液体

    由以上数据可以看出，在配方完全相同的条件下，分别采用在不同温度下反应，对产品的胺值和粘度没有太大影响，只是不同反应温度，将会对产品的色泽产生微弱影响，温度愈高，产品颜色愈深。因此必须将反应温度控制在中高温例如进行维持50～100℃。

    3.3.4 反应时间

    合成试验中针对不同的反应时间进行试验，其余反应条件均相同，所得试验结果如表5。

反应时间影响           表5
   指标数据
反应时间（h）胺值
（mgKOH/g）粘度
（25℃mPas）折光率外观
0.5~1.5 604 2700 1.5479 红棕色透明粘性液体
1~2.5 610 2500 1.5575
2.5~3.5 615 3480 1.5547

    分别采用不同的反应时间，对产品的质量没有太大影响。随着维持反应时间的延长，胺值没有太大变化，产品粘度会稍微增大，但产品收率不会随着反应时间的延长而增加。根据资料介绍，曼尼期缩合反应速度常数较大，很短时间内即可完成，因此反应时间控制在1.5~2.5小时。

    3.3.5低沸物和水分的脱除量

    合成试验中针对不同的低沸物的脱除量进行实验，所得结果如表6。

低沸物脱除量影响                       表6
  指标数据
脱除量（%）胺值
（mgKOH/g）粘度
（25℃mPas）折光率外观
35~45 614 2800 1.5479 红棕色透明粘性液体
40~55 618 3240 1.5575
50~65 625 3780 1.5547

（注：脱除量是指酚投料量的百分比）

    分别脱除不同的低沸物和水量，对产品的质量没有太大影响。随着低沸物和水的脱除量的增加，胺值没有太大变化，产品粘度会稍微增大，但产品收率会随着低沸物的脱除量的增加而降低，为确保产品质量，应尽量脱净低沸物和水，脱除量应不低于50%。

    3.4 理化性能试验

    3.4.1 产品溶解性

    本固化剂具有极强的憎水性，完全不溶解于水，可溶于酒精，丙酮，产品PH值=9～10。与环氧树脂的溶解性：树脂-固化剂混合物透明，树脂固化物透明，树脂固化物比重1.15～1.17。

    3.4.2 固化性能测试

    3.4.2.1固化剂凝胶及初步固化时间的比较

    3.2.2.1.1固化剂不同用量不同温度的初凝、初固化时间比较

表7
配方
组成 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ
环氧树脂E-44 100 100 100 100 100 100
自制固化剂 15 18 20 25 25 30
固化温度 25℃ 10℃
初凝(小时) 1.0 0.75 0.50 0.35 0.7 0.50
表干(小时) 3.0 2.5 1.0 0.5 1.5 1.2

    该固化剂可以在常温及低温下快速固化环氧树脂，不受低温条件的限制，特别适用于北方和寒冷地区，在常温下其用量一般为18~25份，在低温下为20~30份，用量还需要根据调胶量的不同进行调整，若调胶量大固化剂用量应适当减少，避免放热过快影响可操作性。

    3.4.2.1.2  初凝、初固化时间比较

     表8
     组      份配方Ⅰ 配方Ⅱ 配方Ⅲ
环氧树脂E-44 100 100 100
固化剂自制固化剂 25 ------------ -------------
传统T31 --------- 25 -------------
市售同类产品 ---------- ------------- 25
固化温度 25℃ 10℃ 25℃ 10℃ 25℃ 10℃
初凝(小时) 0.35 0.7 0.8 3.5 0.5 1.0
表干(小时) 0.5 1.5 2.0 24 0.85 2.5

    由上表可知，该固化剂在配比和环境条件相同的情况下比传统T31和市售同类产品的初凝和表干时间都更快，更适用于快速固化的场合和低温环境等，显示出其独特的性能。

    3.4.2.2固化剂不同环境条件下固化行为的比较

表9

栏目
组   成配    方
环氧树脂E-51 100
自制固化剂 25
固化条件固化温度 10℃
固化环境完全水下条件涂层完全湿表面涂层
初凝(小时) 1.5 1.0
表干时间(小时) 2.0 1.7
完全固化(小时) 72 72
涂层附着情况附着良好，无脱落，表面轻微白化附着良好，无脱落，表面光洁

    该固化剂能在低温、潮湿和水下等环境条件下固化环氧树脂。具有穿透油膜、水膜使环氧树脂同粘接面强烈粘接的其它类型环氧树脂固化剂所不具备的独特性能，是环氧树脂固化应用上的重大突破，为环氧树脂的应用开辟了新领域。

    3.4.2.3机械、电气绝缘性能测试比较


表10
配方：环氧树脂E-44：固化剂=100：25   固化条件：25℃/72h
项  目指标(MPa) 项  目指标
抗拉强度严格处理表面 26.2 邵氏硬度（HD） 87
带油表面简单处理 23 冲击强度（kJ/m2） 78
抗弯强度严格处理表面 102 维卡耐热（℃） 90
带油表面简单处理 103 延伸率（%） 5.0
抗压强度严格处理表面 94 介电常数ε（1MHz） 3.90
带油表面简单处理 95 击穿强度（kv/mm） 30

    该固化剂所固化的环氧树脂固化物具有良好的机械、电气性能，在附有水、油、酸、碱、盐溶液介质的物体表面都能使环氧树脂完全固化，可用于带油表面的粘接，固化物的强度高，附着力强，收缩率小，可用于带油表面的粘接和层压材料、电子、电讯器材的灌封、浇注等。

    3.4.2.4树脂固化物耐溶剂及耐化学药品性能

表11
   配  方
组份配方E-44：固化剂=100：25  固化条件25℃/72h
浸泡实验条件 10℃/168小时
样品重量
变化
(%) 10%H2SO4 0 表面光洁，无变化
50%H2SO4 ＋0.43
20%HCl +0.49
10%NaOH 0
30%NaOH 0
30%NaCl +0.93
95%乙醇－0.46
99%甲苯 +0.83

    其固化物样品在不同浓度的酸、碱、盐溶液及有机溶剂中浸泡一周后，表面光洁，无变化，其重量改变极小，可见耐腐蚀性能优异。

    3.4.2.5 与国内同类型固化剂水下固化比较

    3.4.2.5.1固化条件

表12
序号甲组份乙组份
（固化剂）比例涂刷道数干膜厚度μm
1 E44
环氧树脂
  T31 100：30 2 100
2 651 100：40 2 100
3 810 100：30 2 100
4 酮亚胺CHT-251 100：40 2 100
5 593# 100：30 2 100
6 自制固化剂 100：30 2 100

    3.4.2.5.2固化结果                                                              表13
固化剂名称附着力柔韧性冲击强度初期硬度凝胶时间，h 干燥性
表干h 实干h
T31 1 1 75 2H 4 7 24
650聚酰胺 1 1 40 H 5 7 24
810 1 1 50 H 5 8 30
酮亚胺 1 1 70 H 6 8 36
593 1 1 60 2H 6 10 40
本固化剂 1 1 80 4H 3.5 5 18

    该固化剂与市售其他产品相比，固化速度快，冲击强度高，硬度高，具有良好物理机械性能。

    4．产品使用领域及使用

    该固化剂在水下、潮湿、干燥、低温（0℃以下）、常温条件下均能固化环氧树脂，并获得优良水下粘接强度。能满足水工建筑工程要求，便利于冬季施工，该固化剂毒性低（LD>5000mg/kg）属微毒或实际无毒化合物。并且有一定的耐热、耐寒性能。适应于大坝、隧洞、输水管、水池、渡槽、人防工程等建筑物的缺陷处理，以及其他水泥制品的水下粘接和户外低温施工。近年又广泛应用于冶金、冶炼、矿山机械铸造、模具造型，军工防腐，地下电缆封端、护层，民品用胶。可用于水利、冶金、化工、等领域的设备和管道防腐、固化防腐涂层、石油化工方面防腐堵漏、水利工程、土木建筑工程中的混凝土石料、钢材、瓷砖等材料粘接、嵌缝和涂料行业、玻璃钢行业及环氧地坪的中涂、底涂等。

    固化剂用量要求不严格，视环境条件而定，一般用量为环氧树脂（E-51）用量的18~30%，室温固化24h后可以达到80%以上的固化度。通常情况、室温、干燥天气施工时，用量可以选择20~30%，如果在低温、潮湿、水下条件时施工用量可增加为25~35%。

    应用事例：某化工厂有一耐酸池，体积为20m3，使用温度为70～80℃，酸含量为10～15%。原来采用耐酸瓷砖贴面处理，但由于砖缝处理不好，造成池壁渗漏。2003年后改用我院研制的本固化剂与环氧树脂制作玻璃钢，使用至今毫无损坏。

    我院研制的本固化剂已经广泛用于北方寒冷季节施工，固化速度明显快于国内其它同类型的固化剂，受到用户好评。

    某大坝建设于上世纪60年代，长期使用后因出现裂缝而渗水，并处于寒冷地区，使用本固化剂配合环氧树脂及其他辅助材料调浆灌缝，固化速度快，起到了很好的堵漏作用，延长了大坝的使用寿命。使用至今毫无损坏。

    5．结语

    环氧树脂特种固化剂是一种由酚类、特殊胺类、醛类及活性组分等等多组份经分子结构设计，经特殊工艺合成的性能优异的固化剂，含有活泼氢和促进环氧树脂固化的酚羟基，具有较高的反应活性。分子中富含酚醛骨架结构，可进一步提高树脂固化物热变形温度，改善耐热性和耐腐蚀性。本固化剂具有良好的市场前景。

　　文章来自：中国玻璃纤维信息网

　　文章作者：..

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