双酚A及端羧基丁腈橡胶对环氧树脂的增韧作用
加工・应用
合成橡胶工业,2007—03一15,30(2):119~123
CHINA
SYNTHETIC
RUBBER
INDUSTRY
双酚A及端羧基丁腈橡胶对
环氧树脂的增韧作用
黄文霖,单国荣+,翁志学
(浙江大学国家重点化学工程联合实验室聚合反应工程实验室,浙江杭州3l0027)
摘要:以2一乙基一4一甲基咪唑为固化荆,分别以端羧基丁腈橡胶(cTBN)、CTBN/双酚A(BPA)或BPA为增韧剂增韧环氧树脂,研究了环氧树脂增韧体系的微观形貌和力学性能,考察了不同混料方式对cTBN增韧环氧树脂性能的影响。结果表明:cTBN增韧环氧树脂能使其固化物的冲击韧性有所提高,但其他力学性能降低;采用环氧树脂先与其进行预聚反应再经固化剂固化的方法能提高cTBN对环氧树脂的增韧效果;用CTBN/BPA为增韧剂不仅可以大幅度提高材料的冲击强度和扯断伸长率,而且可以提高弯曲强度与模量,克服了cTBN单一增韧导致材料强度下降的不足。BPA的加入可使环氧树脂固化物体系的弯曲强度、冲击强度和扯断伸长率有较大幅度的提高。
关键词:端羧基丁腈橡胶;双酚A;环氧树脂;增韧作用;力学性能;微观形貌
中图分类号:TQ323.5
文献标识码:B文章编号:1000—1255(2007)02—0119—05
环氧树脂具有优良的机械强度、耐热性和成1实验部分型加工性能,且成本较低,广泛应用于航空、航天、1.1
原材料
电子以及机械等领域。但由于其自身结构的特环氧树脂,牌号为E一5l(618)型,二缩水甘
点,纯环氧树脂固化物脆性较大,冲击强度和断裂油醚型,环氧值为4.8—5.2mm01/g,江苏吴江合韧性较差,限制了其在工程方面的应用。为了改力树脂有限公司生产。cTBN,中国石油兰州石化善环氧树脂的韧性,国内外进行了大量的增韧改公司生产。BPA,化学试剂级;EMI,活性温度82~性研究:用含有“柔性链段”的固化剂固化环氧基87℃,化学纯,天津化学试剂有限公司生产。团,改善交联网络结构¨。;在环氧基体中加入橡1.2试样制备
胶弹性体心]、热塑性树脂∞1或液晶聚合物H。等分基本配方(质量份)
E一5l
100,CTBN、
散相以形成两相结构;用热固性树脂连续贯穿于CTBN/BPA或BPA为变量,EMI
7。
环氧树脂网络中形成互穿、半互穿网络结构∞1混料方法1
将环氧树脂、cTBN、EMI加入
等,这些方法都可以使环氧树脂的韧性得到改善。反应釜,搅拌,使物料混合均匀,70℃反应2h,浇其中,用端羧基丁腈橡胶(cTBN)增韧环氧树脂铸到模板中,得到cTBN/环氧树脂固化物。
已得到广泛应用。由于cTBN增韧环氧树脂会导混料方法2
将环氧树脂、cTBN、CTBN/BPA
或BPA加入到反应釜中,搅拌,升温到120℃,反致材料力学性能下降,Riew等∞。首先在cTBN/环应0.5h,降至室温后加入EMI,搅拌,使物料混合氧树脂体系中添加了双酚A(BPA),取得了很好均匀,浇铸到模板中,分别得到cTBN/环氧树脂的增韧效果。此后,Klug等¨。和Partridge等¨。也固化物、cTBN/BPA/环氧树脂固化物和BPA/环
进行了相关研究。本工作以2一乙基一4一甲基咪唑(EMI)为固化剂,研究了以cTBN、收稿日期:2005一ll一0l;修订日期:2006一ll一30。cTBN/BPA或BPA为增韧剂对环氧树脂力学性作者简介:黄文霖(1981一),男,硕士研究生。能、微观形貌等的影响。
s通讯联系人。
合成橡胶工业
第30卷
氧树脂固化物。1.3分析与测试
按GB/T
1
后环氧树脂的裂纹消失,固化产物呈两相结构,即环氧树脂基体形成连续相,CTBN以颗粒分散于树脂连续相中。当cTBN用量为10份时,其颗粒分散相较少,且粒径较小;当CTBN用量为20份时,颗粒分散相的体积分数增加,且颗粒的粒径增大。但是,cTBN用量过大,会导致环氧基体中所溶解的cTBN量太多,使基体柔化,从而降低材料的力学性能及热性能,当CTBN用量超过20份时,橡胶颗粒还可能聚集,出现双连续相或者相反转的情况,如当cTBN用量为30份时,体系出现了双连续相,此时材料的强度会有大幅度的降低。因此,cTBN的最佳用量为20份。2.1.2力学性能
由表l可知,随着cTBN用量的增大,环氧树脂固化物的压缩强度和弯曲强度以及压缩模量和弯曲模量均减小,其中模量的减小更为明显。这是因为橡胶相的强度和模量远小于树脂相,在外力作用下应力主要由树脂相承受,随着cTBN用量的增加,受力截面上树脂相的量减小,所以材料的强度和模量减小。另外,CTBN的加入,部分CTBN溶解于树脂基体中,基体中柔韧的cTBN的存在也使材料的强度和模量降低。随着cTBN用量的增加,环氧树脂固化物的冲击强度和扯断伸长率增大。这是由于树脂基体中橡胶颗粒的存在,在外力作用下,能够阻止环氧树脂基体中裂纹的扩展,减缓材料的断裂。此外,橡胶颗粒的变形和破坏能够吸收更多的能量,所以环氧树脂固化物的韧性增加。但是,环氧树脂固化物韧性的增加并不是无限的,Thomas等旧。指出,当cTBN用量大于20份时,环氧树脂固化物的冲击性能开始呈现下降趋势,表1中的结果也证明了这一点。综合考虑,cTBN增韧环
氧树脂的最佳用量以15~20份为宜。
843—1996,用意大利ceast科学仪
器公司生产的ceast6967型摆锤冲击仪测定材料的无缺口冲击性能;按GB/T
GB
1041一1992和
9341—1988,用德国zwick公司生产的zwick/
Roell万能试验机测定材料的压缩性能和弯曲性
能;试样断面喷金处理后用荷兰Ph拙p公司生产
的xL一30ESEM型扫描电镜(SEM)进行观察。2结果与讨论
2.1
CTBN对环氧树脂的增韧作用
2.1.1微观形貌
由图l可知,纯环氧树脂的固化物呈单相结构,表面有很多裂纹,呈脆性断裂特征;加入cTBN
CTBN/phr:(a)一0;(b)一10;(c)一20;(d)一30
F唔1
sEMⅡlicmphotographs
with
ofep01yresin
difkrentamountsofCTBN
第2期黄文霖等.双酚A及端羧基丁腈橡胶对环氧树脂的增韧作用
2.1.3混料方式
由表2可知,无论由混料方法1还是方法2得到的环氧树脂固化物,都比纯环氧树脂固化物的冲击强度和扯断伸长率有较明显的提高,可见cTBN对环氧树脂有明显的增韧效果。2种方法对比,方法2得到的材料的冲击强度稍有增加,材料的弯曲强度、弯曲模量和扯断伸长率都有了显著提高。由此可以得出,与环氧树脂、增韧剂和固化剂同时混合的方式相比,采用环氧树脂与增韧剂先预聚后用固化剂固化的方式所得到的环氧树脂其增韧效果更佳。由文献[10]可知,在120℃下预反应2h得到材料的扯断伸长率高于无预反应的材料,这也印证了本实验的结论。
modes
mechanical
cTBN/BPA环氧树脂,与只用cTBN的体系相比,前者的橡胶粒子数目增多,橡胶相体积分数增大,而且可以看到2种尺寸的粒子,约为0.2~0.5斗m和0.8~1.2斗m。双粒径分布的出现,是因为加入的BPA能与cTBN一环氧树脂加成物中的环氧基团反应。贾德民等…。通过用红外光谱测定羧基吸收谱带的位移,证实了BPA的羟基逐渐转化为环氧树脂中的羟基。BPA与cTBN一环氧树脂加成物反应,生成更大的含弹性链段分子,这种cTBN—BPA一环氧树脂的含弹性链段的分子更易从树脂基体中析出,形成较多的大尺寸分散粒子。图2中的大粒子由cTBN—BPA一环氧树脂分子形成,而小粒子则由cTBN一环氧树脂分子形成。Riew等¨。的研究认为:小粒子增韧的树脂中以剪切变形为主,而大粒子增韧的树脂中以银纹化为主;当橡胶相存在双粒径分布时,可因剪切变形和银纹变形的结合而获得最大的增韧效果;分散相的双粒径分布是改性树脂韧性提高的关键原因。采用cTBN/BPA为增韧剂,可促进分散,使更多柔性的cTBN接到环氧树脂上,增大橡胶粒子的体积分数¨…;此外,Partridge等¨。的研究表明,BPA的加入能加快固化反应的进行,同时,橡胶的相分离也更早发生,两者的共同作用使
TabIe2
EffectOfadding
prOperties
ofCTBNOn
ofepoxyresin
由于采用预反应的方法,加入固化剂前,cTBN与环氧基团在120℃下进行预聚反应,使得少部分环氧树脂分子上的环氧基团与cTBN上的端羧基进行开环加成。当橡胶分子发生相分离时,已经交联在橡胶分子链上的环氧分子可能会随橡胶形成相畴并被“包裹”在相畴中。也就是说,相畴尺寸增加,橡胶分散相的体积分数也增加。而不进行预聚反应,直接加入固化剂,在固化过程中,由于橡胶与环氧基团的反应速率小于环氧基团与固化剂的反应速率,在形成的固化物结构中,橡胶分子链上很少有环氧分子。此时当橡胶发生相分离时,形成相畴的几率比橡胶上存在环氧分子时形成相畴的几率小,又因相畴内不“包裹”环氧分子,相畴尺寸也比有“包裹”时的小。由此可以看到,预聚反应能提高cTBN对环氧树脂的增韧效果。
2.22.2.1
形成的橡胶粒子较大,从而使材料的冲击韧性和断裂韧性提高。由此可见,cTBN/BPA增韧的环氧树脂体系能大幅度提高韧性是多方面协同作用的结果,其关键原因并不在于分散相的双粒径分布,而是BPA对环氧树脂的扩链作用使环氧树脂的分子量增大,且扩链与未扩链的环氧基团之间发生交联反应使固化物的交联结构改变的缘故,这一推测与实验结果相吻合。
CTBN/BPA对环氧树脂的增韧作用微观形貌
CTBN/BPA(massratio):15/24
Fig2
SEM
resin
microphotographwith
ofepo。y
从图2可以看出,采用混料方法2制备
CTBN/BPA
合成橡胶工业
第30卷
2.2.2力学性能
从表3可以看出,与纯环氧树脂体系相比,只加入cTBN,增韧环氧树脂的冲击强度增加78.5%,扯断伸长率略有下降,弯曲强度和压缩强度却有较大幅度的下降,说明单纯的cTBN增韧剂使体系在增韧的同时,材料的其他力学性能下降。而采用cTBN/BPA为增韧剂,材料的冲击韧性和扯断伸长率与只用CTBN增韧相比有大幅度
提高。当CTBN/BPA(质量比)为15/24时,材料的冲击强度、扯断伸长率和弯曲强度分别由只用cTBN的增韧体系的12.592kJ/m2、1.57%和
49.7078.68
MPa提高到23.384kJ/m2、8.62%和
MPa;压缩强度变化不大;弯曲强度比纯环氧
树脂固化物提高了8.68MPa,同时弯曲模量下降很少。以CTBN/BPA为增韧剂,克服了单独用CTBN增韧环氧树脂的同时其他力学性能下降的缺点。
Table3EffectofCTBN/BPACompressive
on
mechanicalpropertiesOfepoxy
Flexural
resin
Elo“gation
‘
CTBN/BPA
,
、
………
Compressive
‘
Flexuralstre“gth/MPa70.OO49.7065.0871.9478.68
Impactstrength/
.
strength/
J
MPa
modulu8/
GPa1.2940.933
modulus/
GPa2.5421.5671.7791.9192.187
at
break/%
3.331.576.006.568.62
tmass
ratlo
(kJ・m一2)
7.053
12.59214.55l17.57223.384
015/O15/515/lO15/24
127.51103.87102.47106.53108.79
1.0871.119
1.125
2.3
BPA对环氧树脂力学性能的增韧作用从表4可以看出,与单纯的环氧树脂固化物
3
结论
a)CTBN增韧环氧树脂能在一定程度上提高材料的冲击韧性,但是压缩强度、弯曲强度和模量等力学性能下降较多。采用先进行预聚反应的方式能够提高CTBN对环氧树脂的增韧效果。
b)cTBN/BPA增韧环氧树脂能大幅度提高材料的冲击强度和扯断伸长率,同时其他力学性能也有不同程度的提高。
c)BPA的加入可使环氧树脂固化物体系的弯曲强度、冲击强度和扯断伸长率有较大幅度的提高。
相比,BPA环氧树脂固化物体系的弯曲强度明显增大,弯曲模量有少量增加,冲击强度和扯断伸长率有大幅度提高。当BPA用量分别为10份和24份时,冲击强度分别是单纯环氧树脂固化物的2.67倍和3.53倍。由表4还可以看出,在没有添加cTBN、增韧体系粒径不存在双粒径分布的情况下,BPA的加入仍能使固化物的冲击韧性和扯断伸长率大幅度提高,说明双粒径分布并不是增韧的关键原因。由于EMI是碱性固化剂,其分子上的叔胺能与BPA在一定程度上成盐,该盐优先与环氧基团进行扩链反应。扩链和未扩链的环氧基团之间进行交联反应,使固化物的交联网络发生了变化,改变了树脂相的延性,从而使其韧性显著增加"’”。。同时,尚未反应的BPA溶解在树脂富余相中,对其增塑作用也是原因之一‘1…。因此,使用碱性固化剂固化时,BPA的加入能够使增韧作用增强。
1
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Abstract:
The
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with
Whenepoxyresinmoditied
C’I’BN/
at
propertiesofepoxyresinmodifiedwithcarboxyl—ter-minated
butadiene-acrylonitrile
BPA,theimpactstrengthandtheeIongationincreased
dmmatically,
as
break
copolymer(CTBN),
BPAhavebeen
dif艳rent
ex-
weU
as
othermechanical
anditwas
CTBN/bisphenolamined
A(BPA)and
The
pIDpertiesenhancedto
a
certain
extent,
respectively.
on
effectofCTBN
overcomethedisadvantagesofCTBNtoughenedepoxyresinsingly.
ThetougheningagentofBPAcouldalso
addingmodesthemechaniealpropertiesoftough—
Itwasfbundthat
enedepoxyresinhasbeenstudied.
increasednexuralstrength,impactstren疹handelon-
gationat
thetoughnessofepoxyresinincreasedtoughenedbyCTBNwhileotherInthefor
2
case
breakofepoxyresin.
mechanicalpropeniesdeclined.
pre—reactedwithepoxyresintoughening
result
could
be
Keywords:carboxyl-te瑚inatedbutadiene-acryJo—
nitrilecopolymer;
bisphenolA;
epoxy
ofl20‘℃
CTBN
resin;tough—
h,
better
ening;mechanicalproperty;micromorphology
・国内简讯・
高门尼黏度丁苯橡胶粉末化工业技术开发2007年1月18日,由中国石油股份有限公司兰州化工研究中心与中国石油兰州石化公司合成橡胶厂共同完成的“高门尼黏度丁苯橡胶(sBR)粉末化工业技术开发”的科研项目,通过了甘肃省科技厅组织的技术鉴定。高门尼黏度SBR粉末化技术采用多元隔离剂的协同作用,将胶乳凝聚成粉,在工业试验中采用全新的后处理工艺,制得的高门尼黏度粉末sBR粒径小,成粉率高(其中粒径小于0.9mm的粉末橡胶在质量分数98%以上,
(中国石油兰州化工研究中心
徐典宏供稿)
粒径小于0.45mm的粉末橡胶在质量分数85%以上)。在高门尼黏度sBR橡胶粉末化领域填补了国内空白,具有一定的创新性。经过小试、中试和工业试验研究,形成了成熟的工艺配方,操作过程易于控制。该项目紧密依托兰州石化公司,产品附加值高,具有自主知识产权。鉴定委员会认为该技术达到了国内领先水平。
双酚A及端羧基丁腈橡胶对环氧树脂的增韧作用
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
黄文霖, 单国荣, 翁志学, Huang Wenlin, Shan Guorong, Weng Zhixue浙江大学,国家重点化学工程联合实验室,聚合反应工程实验室,浙江,杭州,310027合成橡胶工业
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