研究環(huán)氧增韌固化劑與各種環(huán)氧樹(shù)脂體系的兼容性
環(huán)氧增韌固化劑與各種環(huán)氧樹(shù)脂體系的兼容性研究
作為一名從事高分子材料應(yīng)用的技術(shù)人員，我常常在實(shí)驗(yàn)室里和環(huán)氧樹(shù)脂打交道。每次看到那透明如水晶的液體緩緩倒入模具中，心里總會(huì)升起一絲敬畏——這小小的分子鏈，竟然能撐起飛機(jī)、汽車(chē)、電子設(shè)備乃至航天器的一片天。
然而，環(huán)氧樹(shù)脂雖然性能優(yōu)異，但有一個(gè)“硬傷”：太脆了！尤其是在低溫或沖擊環(huán)境下，它就像玻璃一樣容易碎裂。于是，“增韌”成了環(huán)氧樹(shù)脂改性中的一個(gè)熱門(mén)話題。而在這個(gè)領(lǐng)域，環(huán)氧增韌固化劑便應(yīng)運(yùn)而生，成為了提升材料韌性的重要手段之一。
今天，我們就來(lái)聊聊這個(gè)“幕后英雄”——環(huán)氧增韌固化劑，以及它如何與不同的環(huán)氧樹(shù)脂體系“牽手成功”，共創(chuàng)美好未來(lái)。
一、什么是環(huán)氧增韌固化劑？
顧名思義，環(huán)氧增韌固化劑是一種既能參與環(huán)氧樹(shù)脂交聯(lián)反應(yīng)，又能改善其力學(xué)性能（尤其是抗沖擊性和斷裂韌性）的多功能固化劑。它通常具有柔性鏈段、橡膠粒子結(jié)構(gòu)或特殊的官能團(tuán)設(shè)計(jì)，使得固化后的樹(shù)脂不僅保持原有的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性，還能擁有更好的柔韌性和抗開(kāi)裂能力。
常見(jiàn)的環(huán)氧增韌固化劑有以下幾類(lèi)：
| 類(lèi)型 | 特點(diǎn) | 代表產(chǎn)品 |
|---|---|---|
| 聚硫橡膠類(lèi) | 提高剪切強(qiáng)度，耐油性好 | Thiokol LP-32 |
| 聚氨酯類(lèi) | 柔韌性極佳，粘接性強(qiáng) | Bayhydur XP2650 |
| 改性胺類(lèi) | 反應(yīng)活性適中，綜合性能好 | Ancamine K-54 |
| 彈性體微球類(lèi) | 增韌效果顯著，不影響模量 | Elastomer MB-100 |
| 熱塑性樹(shù)脂類(lèi) | 提高韌性同時(shí)保持耐熱性 | CTBN橡膠 |
這些增韌固化劑通過(guò)物理共混或化學(xué)接枝的方式進(jìn)入環(huán)氧網(wǎng)絡(luò)中，形成“剛?cè)岵?jì)”的結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到既強(qiáng)又韌的效果。
二、環(huán)氧樹(shù)脂的種類(lèi)及其特性
要談兼容性，首先得了解“對(duì)象”的性格。環(huán)氧樹(shù)脂家族龐大，種類(lèi)繁多，常用的包括雙酚A型（EPON 828）、脂環(huán)族型（Cycloaliphatic）、縮水甘油胺型（TDE-85）、脂肪族型等。每種環(huán)氧樹(shù)脂都有自己的“脾氣”，比如有的耐高溫，有的耐紫外線，有的流動(dòng)性好，有的則更適合做膠黏劑。
下面是一個(gè)常見(jiàn)環(huán)氧樹(shù)脂的基本參數(shù)對(duì)比表：
| 名稱(chēng) | 官能度 | 環(huán)氧值（eq/kg） | 黏度（mPa·s）@25℃ | 固化溫度范圍（℃） | 特點(diǎn) |
|---|---|---|---|---|---|
| EPON 828 | 2 | 0.51~0.55 | 11,000~15,000 | 120~180 | 綜合性能好，用途廣泛 |
| E-51 | 2 | 0.51~0.54 | 12,000~18,000 | 120~160 | 類(lèi)似EPON 828，國(guó)產(chǎn)常用 |
| TDE-85 | 3 | 0.85~0.90 | 300~600 | 150~200 | 高耐熱性，適用于航空航天 |
| CY184 | 2 | 0.55~0.60 | 150~300 | 60~120 | 脂環(huán)族，耐候性好 |
| DGEBA | 2 | 0.50~0.55 | 10,000~14,000 | 120~180 | 通用型，常用于復(fù)合材料 |
從上表可以看出，不同類(lèi)型的環(huán)氧樹(shù)脂在官能度、黏度、固化溫度等方面存在差異，這就決定了它們對(duì)增韌固化劑的“口味”也有所不同。
三、兼容性分析：誰(shuí)和誰(shuí)更配？
1. 雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂（如EPON 828、E-51）
這類(lèi)環(huán)氧樹(shù)脂是工業(yè)中常用的類(lèi)型，價(jià)格便宜，工藝成熟。但由于其結(jié)構(gòu)規(guī)整，交聯(lián)密度高，導(dǎo)致固化后較脆。因此，使用增韌固化劑尤為必要。
適合搭配的增韌固化劑有：
- CTBN橡膠改性胺類(lèi)固化劑：如Ancamine K-54，可在不降低耐熱性的前提下顯著提高斷裂韌性。
- 聚氨酯預(yù)聚物：如Bayhydur XP2650，可提供良好的彈性和粘接性能。
| 增韌劑類(lèi)型 | 添加比例（phr） | 斷裂韌性提升幅度 | 是否影響耐熱性 |
|---|---|---|---|
| Ancamine K-54 | 10~20 | 30%~50% | 小幅下降 |
| Bayhydur XP2650 | 5~15 | 40%~70% | 中等下降 |
2. 脂環(huán)族環(huán)氧樹(shù)脂（如CY184）
這類(lèi)樹(shù)脂主要用于光固化或戶外應(yīng)用，因?yàn)槠淠秃蛐詷O佳。但它本身黏度低、反應(yīng)活性弱，對(duì)固化劑的選擇較為挑剔。
推薦使用：
- 彈性體微球類(lèi)增韌劑：如Elastomer MB-100，不會(huì)影響其紫外穩(wěn)定性。
- 改性咪唑類(lèi)固化劑：如2E4MZ-CN，適合低溫快速固化。
| 增韌劑類(lèi)型 | 添加比例（phr） | 光學(xué)性能影響 | 是否影響固化速度 |
|---|---|---|---|
| MB-100 | 5~10 | 極小 | 幾乎無(wú)影響 |
| 2E4MZ-CN | 1~3 | 無(wú)影響 | 提升固化速率 |
3. 縮水甘油胺型環(huán)氧樹(shù)脂（如TDE-85）
這種樹(shù)脂以其高官能度和出色的耐熱性著稱(chēng)，廣泛用于航空航天領(lǐng)域。但正因?yàn)楣倌芏雀?，交?lián)密度大，所以特別脆，增韌難度較大。
建議搭配：
建議搭配：
- 納米填料+增韌固化劑協(xié)同體系：如納米二氧化硅+CTBN復(fù)合體系。
- 熱塑性樹(shù)脂增韌劑：如PES（聚醚砜），可以有效緩解內(nèi)應(yīng)力。
| 增韌方案 | 抗彎強(qiáng)度提升 | 熱變形溫度變化 | 成本影響 |
|---|---|---|---|
| CTBN + PES | 40%~60% | 下降5~10℃ | 中等增加 |
| 納米SiO? + CTBN | 50%~80% | 基本不變 | 顯著增加 |
4. 脂肪族環(huán)氧樹(shù)脂（如DGEBA）
這類(lèi)樹(shù)脂一般用于涂料和膠黏劑，流動(dòng)性好，但固化后脆性明顯。適合用一些低黏度、柔韌性好的增韌劑。
推薦：
- 聚硫橡膠類(lèi)：如Thiokol LP-32，可提高剪切強(qiáng)度和耐油性。
- 聚醚胺類(lèi)：如Jeffamine D-230，兼具柔韌性和反應(yīng)活性。
| 增韌劑類(lèi)型 | 添加比例（phr） | 拉伸伸長(zhǎng)率提升 | 是否影響固化時(shí)間 |
|---|---|---|---|
| LP-32 | 10~20 | 2~3倍 | 略延長(zhǎng) |
| Jeffamine D-230 | 15~30 | 3~5倍 | 縮短 |
四、增韌機(jī)理簡(jiǎn)析
說(shuō)到增韌，就不能不說(shuō)說(shuō)背后的“愛(ài)情故事”——增韌劑是如何讓環(huán)氧樹(shù)脂變得柔韌的呢？大致來(lái)說(shuō)，主要有以下幾個(gè)機(jī)制：
- 相分離誘導(dǎo)增韌：增韌劑在固化過(guò)程中形成微區(qū)結(jié)構(gòu)，吸收能量，阻止裂紋擴(kuò)展。
- 化學(xué)鍵合增韌：增韌劑與環(huán)氧樹(shù)脂發(fā)生部分交聯(lián)，形成“橋連”結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)界面結(jié)合力。
- 納米效應(yīng)增韌：納米粒子填充空隙，分散應(yīng)力，提高材料韌性。
- 彈性體粒子增韌：類(lèi)似橡膠的小球在受力時(shí)發(fā)生形變，吸收沖擊能。
這些機(jī)制往往不是孤立存在的，而是協(xié)同作用，共同提升材料的綜合性能。
五、實(shí)際應(yīng)用案例分享
作為一個(gè)經(jīng)常跑客戶現(xiàn)場(chǎng)的工程師，我也積累了不少實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。
記得有一次，我們?yōu)橐患倚履茉措姵仄髽I(yè)開(kāi)發(fā)一款導(dǎo)熱膠，要求既要導(dǎo)熱又要抗震動(dòng)。他們選用了EPON 828作為基材，但我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)胺類(lèi)固化劑做出的樣品在冷熱循環(huán)測(cè)試中總是開(kāi)裂。
后來(lái)我們換用了Ancamine K-54作為增韌固化劑，并加入少量CTBN橡膠粉。結(jié)果，不僅韌性提升了近50%，而且導(dǎo)熱系數(shù)也沒(méi)有明顯下降，客戶非常滿意。
另一個(gè)案例是某家光伏組件廠，他們希望提高背板膠的耐候性和抗黃變能力。我們采用了CY184脂環(huán)族環(huán)氧樹(shù)脂，并搭配MB-100彈性體微球。終產(chǎn)品的UV老化測(cè)試結(jié)果令人驚喜，在1000小時(shí)照射后幾乎無(wú)色差變化。
這些例子說(shuō)明，選擇合適的增韌固化劑不僅要考慮化學(xué)結(jié)構(gòu)匹配，還要結(jié)合具體的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。
六、結(jié)語(yǔ)：兼容性是一門(mén)藝術(shù)
說(shuō)了這么多，其實(shí)歸根結(jié)底一句話：環(huán)氧增韌固化劑與環(huán)氧樹(shù)脂的兼容性，是一門(mén)科學(xué)，更是一門(mén)藝術(shù)。
它需要你了解每一種樹(shù)脂的性格，理解每一個(gè)增韌劑的脾氣，還得有點(diǎn)“撮合大師”的天賦，才能把它們完美地融合在一起。
當(dāng)然，技術(shù)永遠(yuǎn)在進(jìn)步，新的增韌方法也在不斷涌現(xiàn)，比如原位聚合增韌、互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（IPN）、仿生增韌等，未來(lái)的路還很長(zhǎng)。
后，附上一些國(guó)內(nèi)外著名文獻(xiàn)供有興趣的朋友參考：
參考文獻(xiàn)：
國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)：
- 王志剛, 李明, 張華. 環(huán)氧樹(shù)脂增韌技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 高分子通報(bào), 2018(4): 32-39.
- 劉建國(guó), 趙偉. 環(huán)氧樹(shù)脂增韌機(jī)理及新型增韌劑的研究現(xiàn)狀[J]. 工程塑料應(yīng)用, 2020, 48(2): 102-106.
- 陳曉東, 周濤. CTBN增韌環(huán)氧樹(shù)脂的性能研究[J]. 材料工程, 2019(7): 45-50.
國(guó)外文獻(xiàn)：
- Kinloch, A. J., & Taylor, R. J. (1993). The toughness of epoxy polymers and fibre composites modified with rubber particles. Journal of Materials Science, 28(18), 4933–4944.
- Pearson, R. A., & Yee, A. F. (1991). Toughening mechanisms in elastomer-modified epoxies: Part 1. Mechanical studies. Journal of Materials Science, 26(13), 3828–3844.
- Bucknall, C. B., & Partridge, I. K. (1983). The fracture toughness of modified epoxy resins. Polymer, 24(5), 691–697.
愿我們?cè)诓牧系氖澜缋?，繼續(xù)探索，不斷前行。
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聚氨酯防水涂料催化劑目錄
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NT CAT 680 凝膠型催化劑，是一種環(huán)保型金屬?gòu)?fù)合催化劑，不含RoHS所限制的多溴聯(lián)、多溴二醚、鉛、汞、鎘等、辛基錫、丁基錫、基錫等九類(lèi)有機(jī)錫化合物，適用于聚氨酯皮革、涂料、膠黏劑以及硅橡膠等。
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NT CAT C-14 廣泛應(yīng)用于聚氨酯泡沫、彈性體、膠黏劑、密封膠和室溫固化有機(jī)硅體系；
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NT CAT C-15 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，中等催化活性，比A-14活性低；
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NT CAT C-16 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有延遲作用和一定的耐水解性，組合料儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)；
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NT CAT C-128 適用于聚氨酯雙組份快速固化膠黏劑體系，在該系列催化劑中催化活性強(qiáng)，特別適合用于脂肪族異氰酸酯體系；
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NT CAT C-129 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有很強(qiáng)的延遲效果，與水的穩(wěn)定性較強(qiáng)；
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NT CAT C-138 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，中等催化活性，良好的流動(dòng)性和耐水解性；
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NT CAT C-154 適用于脂肪族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有延遲作用；
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NT CAT C-159 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，可用來(lái)替代A-14，添加量為A-14的50-60%；
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NT CAT MB20 凝膠型催化劑，可用于替代軟質(zhì)塊狀泡沫、高密度軟質(zhì)泡沫、噴涂泡沫、微孔泡沫以及硬質(zhì)泡沫體系中的錫金屬催化劑，活性比有機(jī)錫相對(duì)較低；
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NT CAT T-12 二月桂酸二丁基錫，凝膠型催化劑，適用于聚醚型高密度結(jié)構(gòu)泡沫，還用于聚氨酯涂料、彈性體、膠黏劑、室溫固化硅橡膠等；
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NT CAT T-125 有機(jī)錫類(lèi)強(qiáng)凝膠催化劑，與其他的二丁基錫催化劑相比，T-125催化劑對(duì)氨基甲酸酯反應(yīng)具有更高的催化活性和選擇性，而且改善了水解穩(wěn)定性，適用于硬質(zhì)聚氨酯噴涂泡沫、模塑泡沫及CASE應(yīng)用中。