环氧树脂含硅固化剂的合成及其性能研究

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环氧树脂(EP)具有优异的粘结性能、耐腐蚀性、绝缘性能以及良好的机械性能,但是其固化物的冲击韧性差,耐热性能也不足,表面性能也不尽人意,已不能满足人们在某些领域的使用。本文使用含有有机硅烷柔性链段的羟基硅油(HTPDMS)为活性反应单体,通过与甲苯二异氰酸酯(TDI)和二乙胺(DEA)反应,合成了一种以硅烷为主链的有机硅芳香胺类环氧树脂固化剂(SAACA)。使用FTIR分析了SAACA的结构。使用聚醚二醇代替HTPDMS合成了一种对比固化剂聚醚芳香胺类环氧树脂固化剂(PEAACA),用以分析硅氧烷主链对固化剂动力学参数的影响。制备了SAACA树脂固化试样与SAACA和二氨基二苯甲烷(DDM)共同固化树脂的试样。利用TG、 DTG、FTIR、SEM等方法对试样的耐热性以及分子结构、微观形貌进行了表征,并测试了试样的力学性能与热变形温度,最后对固化体系的表面性能进行了研究,为合成这种以硅烷为主链的环氧树脂固化剂的应用提供科学依据。采用非等温差示扫描量热法(DSC)分析EP/SAACA、EP/PEAACA与EP/SAACA/DDM三种体系的固化过程,计算了固化反应的表观活化能和反应级数,得到了固化反应的动力学方程。EP/SAACA固化体系的表观活化能为E1=57.07kJ/mol,反应级数为n1=0.9203; EP/PEAACA固化体系的E2=45.38kJ/mol, n2=0.9066, EP/SAACA/DDM固化体系的E3=75.17kJ/mol, n3=0.9321,通过对比三种固化体系的活化能与反应速率,发现在固化剂中引入较长的分子链有降低芳香胺类固化剂活化能的作用,且聚醚链段比硅烷链段更能降低芳香胺固化体系的活化能;但是随着温度的升高,反应速率的上升要比SAACA的慢。最后根据固化动力学参数与固化剂的特性确定了EP/SAACA与EP/SAACA/DDM两种固化体系的固化制度为:95℃/3h→125℃/3h。通过对试样的力学性能分析得知,单独使用SAACA固化的环氧树脂的力学性能与普通环氧树脂的性能相似,弯曲强度为72.1MPa,冲击强度为9.37kJ/m2,热变形温度为92.4℃。而EP/SAACA/DDM体系的性能有很大的提升,其不同固化剂配比的树脂固化物的弯曲强度为107.5MPa,冲击强度为23.68kJ/m2,压缩强度为126.5MPa,热变形温度为152.3℃;其冲击强度比未使用SAACA时提升了133%。SEM微观形貌分析证实EP/SAACA体系的断裂方式为脆性断裂,EP/SAACA/DDM体系的断裂方式树脂从使用DDM固化的脆性断裂转变为了韧性断裂,推断其断裂机理可能是“裂纹钉锚”增韧机理。接触角测试表明使用SAACA用量超过10份后,树脂的接触角均在100°左右,树脂表面转变为了疏水表面,而当SAACA用量为70份时,表面对水的接触角高达118°,而此组分正是EP/SAACA体系力学性能最好的组分,可以应用在某些需要疏水基体的领域。
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