不同固化剂对环氧树脂的性能影响研究

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固化剂对环氧树脂

固化产物的最终性能具有重要的作用，本研究以市场上常见的不同结构固化剂为对象，包括593、IPDA、D400和651，通过考察固化剂种类和用量对涂层干燥时间、硬度、附着力和抗冲击性能的影响，得到固化剂结构与固化树脂的性能关系，为高性能固化剂的结构设计提供基础理论依据。

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    0·引言

    环氧树脂本身为热塑性的线型结构，受热后固态树脂可以软化、熔融，变成粘稠态或液态；液态树脂受热粘度降低。只有加入固化剂后，环氧树脂才能得到实用。当环氧树脂确定之后，固化剂对环氧树脂固化产物的最终性能具有重要的作用[1]。

    本研究以国内市场上常用的固化剂为考察对象，通过对其与双酚A环氧树脂E51反应得到的固化树脂进行研究，摸索出固化剂结构对固化树脂性能之间的相互影响规律，为高性能固化剂的结构设计提供基础理论依据[2]。

    1·实验

    1.1原料

    双酚A环氧树脂E51；593；D400；IPDA；651。固化剂593、D400、IPDA和651的具体结构见图1。丙酮。

    1.2实验方法

    1.2.1涂层制备

    按照配方表1称取一定量的树脂和固化剂，室温下机械搅拌至体系均匀后，真空脱泡，然后用100μm的漆膜涂敷器在钢板(抛光并用丙酮清洗)上涂敷一层漆膜，用于附着力测试；剩下涂料浇注在底部为钢板(抛光并用丙酮清洗)的模具(～8mm)中，用于硬度和抗冲击性能测试。室温固化7d后测试各性能。

    1.2.2性能测试

    本文中用于涂层性能测试的仪器设备及方法见表2。

    2·结果与讨论

    2.1固化时间

    以活泼H:环氧基比值为1.2:1的这组固化剂为例，进行固化时间研究。从表3可明显看出，593和IPDA的固化速度很快，3h内即可实干；D400固化却非常慢，48h后才能表干。

    2.2硬度

   不同固化剂对固化树脂硬度的影响如表4所示。

    对于不同种类的固化剂来说，固化剂结构对固化树脂的硬度影响不大，硬度在80邵D左右。这是因为本研究采用的高环氧值的双酚A环氧树脂E51，其分子链短，刚性基团数量多，固化树脂的硬度由环氧树脂决定，与固化剂的种类无关。

    考察固化剂用量对固化树脂的硬度的影响，可以发现两种不同的结果：

    对于593、IPDA和651这三种固化剂来说，固化剂用量(活泼H:环氧基比值为0.8:1～1.6:1)对固化树脂的硬度影响不大。这是因为，这三种固化剂的分子链较短，用量的变化不足以影响固化树脂的交联密度和刚性基团含量，因此，硬度基本不变。对于D400来说，由于其是长链的柔性固化剂，当活泼H:环氧基比值高于1:1时，交联密度减小，同时固化树脂中的刚性基团含量显著降低，因此，固化树脂硬度随着用量的提高而变小。

    2.3附着力

    不同固化剂对固化树脂硬度的影响如表5所示。对于不同的固化剂，其附着力差异也较大。

    对于D400来说，分子链是长链的柔性聚醚胺结构，并且其固化时间较长，有利于树脂对钢板底材的充分浸润，树脂与钢板之间的作用面积较大，因此，附着力较大。当固化剂用量较低时，涂层不能完全固化，附着力较低；提高固化剂用量至一定比例(活泼H:环氧基比值为1.2:1)，涂层完全固化，附着力达到最大(6.9MPa)；进一步增大固化剂用量，过量的固化剂无法参与交联反应，降低涂层强度，附着力下降[3,4]。

    当固化剂选用593或651时，由于其分子链上带有很多极性基团，如羟基、羧基等，提高其用量，相当于增加了树脂与钢板底材的作用基团数量，因此，附着力增大。但是这两种固化剂的分子链都较短，当用量过高，固化树脂的内聚能因极性基团含量的提高变大，树脂表现出很高的脆性，附着力反而下降[5]。

    IPDA固化剂是小分子的脂环二胺，固化树脂的交联密度极大，脆性很大，因此，附着力较低，仅为1.0MPa左右。

    2.4抗冲击性能

    采用2kg的重锤从1.1m高处对涂层进行冲击，观察不同固化剂(活泼H:环氧基比值为1.2:1)冲击后的形貌变化，结果如图2所示。与附着力结果类似，D400的冲击性能最优，IPDA最差。

    与附着力的测试结果类似，在环氧树脂的刚性结构中引入玻璃化温度更低的长链的柔性聚醚胺D400，使其和环氧树脂形成紧密、疏松相间的两相网络结构，提高了交联网链的活动能力，有利于应力的分散，使得抗冲击性能提高[6～8]。

    对于593和651来说，分子链上的极性基团导致固化树脂内聚能较大，并且分子链段短，交联密度大，涂层表现为脆性，冲击性能差。

    小分子的IPDA则使得固化树脂交联密度极大，固化过程中涂层因内聚能过大而出现自开裂的现象。

    3·结论

   (1)593和IPDA固化速度极快，3h内即可实干；D400固化非常慢，48h才能表干。

   (2)选用环氧树脂E51，固化剂结构对固化树脂的硬度影响不大，并且593、IPDA和651固化剂用量与固化树脂的硬度影响不大，而D400的固化树脂硬度随着用量的提高而变小。

   (3)对于本文所研究的四种不同固化剂，D400附着力最大，可达到6.9MPa；IPDA最小，仅为1MPa左右；D400抗冲击性能最优，IPDA最差。

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