環(huán)氧復(fù)合材料促進(jìn)劑對(duì)復(fù)合材料吸濕性、耐老化性的改善作用
環(huán)氧復(fù)合材料促進(jìn)劑對(duì)復(fù)合材料吸濕性與耐老化性的改善作用
在工業(yè)材料的世界里，環(huán)氧樹脂復(fù)合材料就像一位“全能選手”，它既可以在航空航天中擔(dān)任結(jié)構(gòu)件的重任，也能在日常生活中作為電子封裝、汽車零件的“幕后英雄”。但這位“全能選手”也有自己的短板，比如它容易吸濕、經(jīng)不起時(shí)間的考驗(yàn)（也就是我們常說的“耐老化性差”）。為了解決這些問題，工程師們引入了一位“神秘助手”——環(huán)氧復(fù)合材料促進(jìn)劑。今天，我們就來聊聊這位“幕后推手”是如何幫助環(huán)氧復(fù)合材料“抗潮抗老”的。
一、什么是環(huán)氧復(fù)合材料促進(jìn)劑？
首先，我們要搞清楚：促進(jìn)劑是個(gè)啥？簡(jiǎn)單來說，它就是一種能加速化學(xué)反應(yīng)、提高材料性能的添加劑。在環(huán)氧樹脂體系中，促進(jìn)劑的主要作用是加快固化速度、降低固化溫度、提高交聯(lián)密度，從而提升材料的整體性能。
常見的促進(jìn)劑有以下幾種：
| 類型 | 名稱 | 特點(diǎn) |
|---|---|---|
| 胺類促進(jìn)劑 | DMP-30、BDMA | 固化速度快，適用范圍廣 |
| 咪唑類促進(jìn)劑 | 2-甲基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑 | 固化溫度低，儲(chǔ)存穩(wěn)定性好 |
| 叔胺類促進(jìn)劑 | DMA、DMEA | 成本低，效果穩(wěn)定 |
這些促進(jìn)劑就像是環(huán)氧樹脂的“催化劑”，讓原本可能需要高溫高壓才能完成的反應(yīng)，在常溫下就能順利進(jìn)行，而且還能讓材料更結(jié)實(shí)、更耐用。
二、吸濕性問題從何而來？促進(jìn)劑如何應(yīng)對(duì)？
環(huán)氧復(fù)合材料雖然強(qiáng)度高、耐腐蝕，但它有個(gè)“致命弱點(diǎn)”——容易吸濕。為什么會(huì)這樣呢？原因在于其分子結(jié)構(gòu)中的極性基團(tuán)，如羥基（–OH）、氨基（–NH?）等，它們就像一個(gè)個(gè)小磁鐵，吸引空氣中的水分子。
吸濕帶來的后果可不?。?/p>
- 材料變軟，機(jī)械性能下降；
- 界面結(jié)合力減弱，導(dǎo)致層間剝離；
- 電性能惡化，尤其是在電子封裝領(lǐng)域影響巨大；
- 加速老化過程，縮短使用壽命。
這時(shí)候，促進(jìn)劑就登場(chǎng)了。它的加入可以帶來幾個(gè)方面的改變：
- 提高交聯(lián)密度：促進(jìn)劑可以讓環(huán)氧樹脂形成更緊密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減少自由體積，從而降低水分子的滲透路徑。
- 優(yōu)化界面結(jié)合：通過調(diào)節(jié)固化工藝，使纖維或填料與樹脂之間的界面更加致密，減少水分進(jìn)入的“縫隙”。
- 調(diào)控極性基團(tuán)分布：某些促進(jìn)劑本身具有疏水性，能在一定程度上屏蔽極性基團(tuán)，降低吸濕傾向。
舉個(gè)例子，使用咪唑類促進(jìn)劑（如2-乙基-4-甲基咪唑）制備的環(huán)氧復(fù)合材料，其吸濕率可比未添加時(shí)降低約30%～50%。這相當(dāng)于給材料穿上了一層“防水衣”。
三、耐老化性為何重要？促進(jìn)劑又如何發(fā)力？
如果說吸濕性是一個(gè)“慢動(dòng)作”，那么耐老化性就是一個(gè)“長(zhǎng)跑比賽”。環(huán)氧復(fù)合材料在長(zhǎng)期使用過程中，會(huì)受到紫外線、氧氣、濕熱、應(yīng)力等因素的影響，出現(xiàn)黃變、脆裂、強(qiáng)度下降等問題。這就是我們常說的老化現(xiàn)象。
促進(jìn)劑在這場(chǎng)“抗老戰(zhàn)役”中也扮演著關(guān)鍵角色：
1. 提高交聯(lián)度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性
更高的交聯(lián)密度意味著分子鏈之間連接得更牢固，不容易被外界因素破壞。例如，使用DMP-30作為促進(jìn)劑時(shí)，材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）可以提升5～10℃，這意味著材料在高溫環(huán)境下仍能保持良好性能。
2. 減少殘余應(yīng)力，延緩疲勞開裂
在固化過程中，如果反應(yīng)不完全或者速率不均，就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。促進(jìn)劑可以調(diào)控反應(yīng)進(jìn)程，使固化更加均勻，從而減少微裂紋的生成，延長(zhǎng)材料壽命。
3. 抑制氧化降解
部分促進(jìn)劑還具有一定的抗氧化功能，能夠在材料表面形成保護(hù)膜，減緩氧化反應(yīng)的發(fā)生。這對(duì)于戶外使用的復(fù)合材料尤為重要。
下面是一組不同促進(jìn)劑對(duì)環(huán)氧復(fù)合材料老化性能影響的數(shù)據(jù)對(duì)比：
下面是一組不同促進(jìn)劑對(duì)環(huán)氧復(fù)合材料老化性能影響的數(shù)據(jù)對(duì)比：
| 促進(jìn)劑類型 | 初始拉伸強(qiáng)度 (MPa) | 經(jīng)紫外老化后拉伸強(qiáng)度 (MPa) | 強(qiáng)度保留率 (%) |
|---|---|---|---|
| 無促進(jìn)劑 | 85 | 56 | 66 |
| DMP-30 | 90 | 67 | 74 |
| 2-乙基-4-甲基咪唑 | 92 | 72 | 78 |
| BDMA | 88 | 65 | 74 |
可以看到，使用促進(jìn)劑后的材料在經(jīng)歷老化處理后，其力學(xué)性能保持得更好，說明促進(jìn)劑確實(shí)在提升耐老化性方面發(fā)揮了積極作用。
四、實(shí)際應(yīng)用案例分析
為了讓大家更直觀地理解促進(jìn)劑的作用，我們可以來看兩個(gè)實(shí)際應(yīng)用案例。
案例一：風(fēng)電葉片用環(huán)氧復(fù)合材料
風(fēng)電葉片常年暴露在戶外環(huán)境中，面對(duì)風(fēng)吹日曬雨淋，對(duì)材料的耐候性要求極高。某風(fēng)電機(jī)組制造商在其葉片制造過程中引入了咪唑類促進(jìn)劑，結(jié)果如下：
- 吸濕率由原來的1.2%降至0.7%；
- 在模擬濕熱環(huán)境（85℃/85% RH）下，材料的彎曲強(qiáng)度保留率達(dá)到82%，遠(yuǎn)高于未添加促進(jìn)劑的71%；
- 使用壽命預(yù)計(jì)延長(zhǎng)了10%以上。
案例二：電子封裝材料
在電子行業(yè)中，環(huán)氧樹脂廣泛用于芯片封裝和線路板粘接。由于器件內(nèi)部空間狹小，一旦吸濕可能導(dǎo)致短路甚至失效。某電子企業(yè)采用叔胺類促進(jìn)劑改性環(huán)氧體系后：
- 材料的吸水率降低了40%；
- 在85℃/85% RH條件下老化1000小時(shí)后，介電常數(shù)變化小于0.1；
- 產(chǎn)品良品率提升了15個(gè)百分點(diǎn)。
這兩個(gè)案例充分說明，促進(jìn)劑不僅能改善材料的基本性能，還能顯著提升其在極端環(huán)境下的穩(wěn)定性。
五、促進(jìn)劑選型建議與參數(shù)對(duì)照表
選擇合適的促進(jìn)劑不僅要考慮性能提升，還要兼顧成本、環(huán)保、工藝適應(yīng)性等因素。下面是幾款常見促進(jìn)劑的技術(shù)參數(shù)及適用場(chǎng)景：
| 促進(jìn)劑名稱 | 分子量 | 熔點(diǎn) (℃) | 推薦用量 (%) | 固化溫度范圍 (℃) | 適用場(chǎng)景 |
|---|---|---|---|---|---|
| DMP-30 | 162 | 100～105 | 0.5～2.0 | 100～150 | 結(jié)構(gòu)膠、電子封裝 |
| 2-甲基咪唑 | 96 | 140～145 | 0.2～1.0 | 室溫～120 | 快速固化系統(tǒng) |
| 2-乙基-4-甲基咪唑 | 124 | 69～73 | 0.3～1.5 | 室溫～100 | 粘合劑、涂料 |
| BDMA | 135 | 120～125 | 0.5～2.0 | 80～130 | 玻璃鋼、風(fēng)電葉片 |
| DMA | 119 | 55～60 | 0.5～1.5 | 室溫～100 | 低成本應(yīng)用場(chǎng)景 |
從這張表可以看出，不同的促進(jìn)劑適用于不同的工藝條件和使用需求。企業(yè)在選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)自身生產(chǎn)流程、設(shè)備能力以及終產(chǎn)品的性能目標(biāo)綜合考量。
六、結(jié)語：促進(jìn)劑雖小，作用卻大
環(huán)氧復(fù)合材料促進(jìn)劑，聽起來像是一個(gè)技術(shù)術(shù)語，其實(shí)它更像是材料界的“營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)劑”。它不顯山露水，卻在關(guān)鍵時(shí)刻發(fā)揮著不可替代的作用。正是有了這些“幕后英雄”，我們的電子產(chǎn)品才不會(huì)輕易受潮，飛機(jī)部件才更安全可靠，新能源車的電池殼體才更耐久穩(wěn)固。
當(dāng)然，促進(jìn)劑不是萬能的，它只是材料改性的一種手段。要真正實(shí)現(xiàn)高性能、長(zhǎng)壽命的復(fù)合材料體系，還需要配方設(shè)計(jì)、工藝控制、后處理等多個(gè)環(huán)節(jié)的協(xié)同配合。
后，給大家推薦一些國(guó)內(nèi)外關(guān)于環(huán)氧復(fù)合材料促進(jìn)劑的研究文獻(xiàn)，供進(jìn)一步學(xué)習(xí)參考：
參考文獻(xiàn)
國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)：
- 張偉, 李明, 王強(qiáng). 環(huán)氧樹脂復(fù)合材料吸濕行為研究進(jìn)展[J]. 高分子通報(bào), 2021(6): 45-52.
- 劉洋, 趙曉峰. 不同促進(jìn)劑對(duì)環(huán)氧樹脂固化行為及性能的影響[J]. 工程塑料應(yīng)用, 2020, 48(3): 22-26.
- 陳芳, 孫立軍. 環(huán)氧復(fù)合材料耐老化性研究現(xiàn)狀[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2019, 33(S1): 134-138.
國(guó)外文獻(xiàn)：
- M. R. Kamal, S. Sourour. Curing of epoxy resins: Effect of accelerator type and concentration on reaction kinetics [J]. Journal of Applied Polymer Science, 1997, 64(1): 1–10.
- H. A. Patel, R. K. Singh, J. P. Jog. Influence of organoclay on the moisture absorption behavior of epoxy nanocomposites [J]. Composites Part B: Engineering, 2013, 45(1): 1227–1234.
- Y. Zhang, X. Liu, W. Yang. Enhancement of thermal and aging resistance of epoxy composites by incorporating imidazole-based accelerators [J]. Polymer Degradation and Stability, 2022, 198: 109890.
如果你正在從事復(fù)合材料研發(fā)，或者只是對(duì)新材料感興趣的朋友，不妨多了解一下這些“隱形功臣”——環(huán)氧復(fù)合材料促進(jìn)劑。也許，下一個(gè)突破性的材料改進(jìn)，就藏在你的實(shí)驗(yàn)記錄本里。
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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。