《耐温环氧培训》PPT课件.ppt
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1、耐温环氧培训耐温环氧培训哈尔滨工业大学无锡新材料研究院-什切青市西波美拉尼亚的理工大学高分子研究所 联合实验室Harbin Institute of Technology Wuxi Research Institute of New Materials-West Pomeranian University of Technology in Szczecin,Polymer Institute JointLaboratory无锡海特斯蒂高分子材料有限公司Wuxi HIT Steady Polymer Materials Co.LTD 曹英杰曹英杰何为耐温耐热何为耐温耐热 温度定义:温度(temp
2、erature)是表示物体冷热程度的物理量,微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量。热学定义:热学主要研究热现象及其规律,它有两种不同描述方法-热力学和统计物理。热力学是其宏观理论,是实验规律。统计物理学是其微观描述方法,它通过物理简化模型,运用统计方法找出微观量与宏观量之间的关系。4环氧胶需要何种耐温耐热环氧胶需要何种耐温耐热1,某种温度条件下的物理性能,某种温度条件下的物理性能2,某种温度条件下的化学性能,某种温度条件下的化学性能环氧胶需要的物理性能1,力,力,剪切强度剪切强度2,光,光,透光率,颜色透光率,颜色3,声,声,隔音隔音4,磁,磁,
3、导磁,隐身导磁,隐身5,电,电,导电,抗静电等导电,抗静电等6,热,热导热导热物理性能和分子结构关系1,力,力自然界最原始的三种力自然界最原始的三种力万有引力万有引力-质量(分子量,分子量分布),距离(润湿性)质量(分子量,分子量分布),距离(润湿性)电磁力电磁力-带电性(分子极性,偶极矩等),距离(润湿性)带电性(分子极性,偶极矩等),距离(润湿性)2,光,光,反射,折射反射,折射-粒子性(折射率),粒子性(折射率),干涉,衍射干涉,衍射-波动性(分子链段震动频率,能量)波动性(分子链段震动频率,能量)3,声,声,阻尼震荡阻尼震荡-波动性(分子链段震动频率,能量)波动性(分子链段震动频率,能
4、量)4,磁,磁,顺磁性和逆磁性顺磁性和逆磁性-外层电子(外层电子同向旋转)外层电子(外层电子同向旋转)5,电,电,导电率,电阻率导电率,电阻率-自由带电荷粒子(电荷粒子,自由自由带电荷粒子(电荷粒子,自由通道)通道)6,热,热导热系数导热系数-分子震动(分子链段震动频率,能量)分子震动(分子链段震动频率,能量)温度和环氧胶的物理性能关系时温等效原理 升高温度与延长观察时间对分子运动是等效的,对高聚物的粘弹行为也是等效的。反之缩短时间和温度降低对分子运动而言也是等效的。环氧胶黏剂的耐高温性环氧胶黏剂的耐高温性取决于固化物的热变形环氧胶黏剂的耐高温性取决于固化物的热变形温度和热氧化稳定性温度和热氧
5、化稳定性.前者决定了高温下的力学性能,前者决定了高温下的力学性能,后者决定了使用温度的极限后者决定了使用温度的极限.这些都取决于树脂及固这些都取决于树脂及固化剂的分子结构和分子间的相互反应性一般来说,化剂的分子结构和分子间的相互反应性一般来说,固化物中交联点间的距离越短,交联密度越大,分固化物中交联点间的距离越短,交联密度越大,分子链上的芳环子链上的芳环脂环脂环杂环等耐热刚性基团越多则热变杂环等耐热刚性基团越多则热变形温度越高,高温力学性能越大,耐热性越好,但形温度越高,高温力学性能越大,耐热性越好,但是脆性也越大是脆性也越大脆性大会使强度降低,故通常要进行脆性大会使强度降低,故通常要进行增韧
6、增韧热氧化稳定性是指固化物抵抗热氧化破坏的能热氧化稳定性是指固化物抵抗热氧化破坏的能力,与固化物分子的化学结构有关,可添加抗氧剂力,与固化物分子的化学结构有关,可添加抗氧剂加以改善加以改善一般来说,固化温度要求高的体系其耐温一般来说,固化温度要求高的体系其耐温性也高性也高这是由于本身耐温性高的环氧树脂和固化剂这是由于本身耐温性高的环氧树脂和固化剂往往活性较低,在高温下才能固化完全,所以耐温往往活性较低,在高温下才能固化完全,所以耐温性高性高织态结构环氧树脂耐温耐热物理性能化学性能链结构链段结构混合物的混合结构可反应基团基团处于的位置反应需要的条件物理性能1,混合物的混合结构混合物的混合结构结晶
7、区分子链缠绕分子链分子链端小分子物理性能耐温性,耐热性排序耐温性,耐热性排序结晶区 高分子链缠绕 高分子链 中分子链端 低小分子 最低物理性能2,织态结构,织态结构物理性能耐温性,耐热性从左往右会下降物理性能结晶度影响因素结晶度影响因素 1,高分子链结构 对称性好、无支链或支链很少或侧基体积小的、大分子间作用 力大的高分子容易相互靠紧,容易发生结晶。2,温度 高分子从无序的卷团移动到正在生长的晶体的表面,模温较高时 提高了高分子的活动性从而加快了结晶。3,压力 在冷却过程中如果有外力作用,也能促进聚合物的结晶,故生 产中可调高射出压力和保压压力来控制结晶性塑料的结晶度。4,成核剂 物理性能3,
8、链结构和链段结构,链结构和链段结构耐热高分子材料按结构可分为:耐热高分子材料按结构可分为:芳环聚合物类,如聚亚苯基、聚对二甲苯、聚芳醚、聚芳环聚合物类,如聚亚苯基、聚对二甲苯、聚芳醚、聚芳酯、芳香族聚酰胺等;芳酯、芳香族聚酰胺等;杂环聚合物类,如聚酰亚胺、聚苯并咪唑、聚喹啉等;杂环聚合物类,如聚酰亚胺、聚苯并咪唑、聚喹啉等;梯形聚合物类,如聚吡咯、石墨型梯形聚合物、菲绕啉梯形聚合物类,如聚吡咯、石墨型梯形聚合物、菲绕啉类梯形聚合物、喹啉类梯形聚合物等;类梯形聚合物、喹啉类梯形聚合物等;元素有机聚合物类,如主链含硅、磷、硼的有机聚合物元素有机聚合物类,如主链含硅、磷、硼的有机聚合物和其他有机金属
9、聚合物;和其他有机金属聚合物;无机聚合物类无机聚合物类 物理性能3.1耐高温环氧树脂耐高温环氧树脂耐高温树脂主要是那些具有耐热性骨架或可以提高交联耐高温树脂主要是那些具有耐热性骨架或可以提高交联密度的多官能团环氧树脂密度的多官能团环氧树脂由于固化后的环氧树脂交联密度由于固化后的环氧树脂交联密度高,内应力大,因而存在质脆耐疲劳性高,内应力大,因而存在质脆耐疲劳性耐热性耐热性抗冲击力差抗冲击力差等缺点,就在许多方面限制了它的应用等缺点,就在许多方面限制了它的应用.为此,对环氧树脂为此,对环氧树脂进行了大量改性研究进行了大量改性研究例如双酚例如双酚A缩水甘油醚型环氧树脂,由于环氧基是一个缩水甘油醚型
10、环氧树脂,由于环氧基是一个三元杂环,固化后将有较稠密的带有长链的芳环结构,使得三元杂环,固化后将有较稠密的带有长链的芳环结构,使得未经改性的环氧固化物脆性大,耐热性差未经改性的环氧固化物脆性大,耐热性差,在双酚在双酚S型环氧型环氧树脂中用极性极强的砜基取代了双酚树脂中用极性极强的砜基取代了双酚A型环氧树脂的异丙基,型环氧树脂的异丙基,提高了树脂的耐热性和热稳定性提高了树脂的耐热性和热稳定性物理性能3.2耐高温固化剂耐高温固化剂除了环氧树脂自身结构的影响,固化剂种类是影响其耐除了环氧树脂自身结构的影响,固化剂种类是影响其耐热性的另一个重要因素热性的另一个重要因素一般来说,它们或具有稳定的化学一般
11、来说,它们或具有稳定的化学结构或具有多官能度,与环氧树脂发生交联反应之后,使树结构或具有多官能度,与环氧树脂发生交联反应之后,使树脂的分子结构形态脂的分子结构形态各种性能都发生了显著的变化各种性能都发生了显著的变化因此,正因此,正确选择固化剂,合理设计胶黏剂配方无疑是重要的环氧树脂确选择固化剂,合理设计胶黏剂配方无疑是重要的环氧树脂的固化反应主要发生在环氧基上的固化反应主要发生在环氧基上由于诱导效应,环氧基上由于诱导效应,环氧基上的氧原子存在着较多的负电荷,其末端的碳原子上则留有较的氧原子存在着较多的负电荷,其末端的碳原子上则留有较多的正电荷,因而亲电试剂多的正电荷,因而亲电试剂(酸酐酸酐)亲
12、核试剂亲核试剂(伯伯仲胺仲胺)都以都以加成反应的方式使之开环聚合如芳香胺加成反应的方式使之开环聚合如芳香胺芳环或脂环酸酐芳环或脂环酸酐酚酚醛树脂醛树脂有机硅树脂有机硅树脂双氰胺等双氰胺等化学性能反反应机理机理二,化学性能1,可反应基团,可反应基团1.1脂肪胺类固化剂的特点脂肪胺类固化剂的特点(1)活性高,可室温固化。)活性高,可室温固化。(2)反应剧烈放热,适用期短;)反应剧烈放热,适用期短;(3)一般需后固化。室温固化)一般需后固化。室温固化7d左右,再左右,再2h/80100后固化,性能更好;后固化,性能更好;(4)固化物的热变形温度较低,一般为)固化物的热变形温度较低,一般为8090;(
13、5)固化物脆性较大;)固化物脆性较大;(6)挥发性和毒性较大。)挥发性和毒性较大。二,化学性能常用固化剂常用固化剂乙二胺乙二胺二乙烯三胺二乙烯三胺三乙烯四胺三乙烯四胺四乙烯五胺四乙烯五胺多乙烯多胺多乙烯多胺二,化学性能1.2芳香族多元胺芳香族多元胺芳族多元胺固化剂的特点芳族多元胺固化剂的特点优点:固化物耐热性、耐化学性、机械强度均优点:固化物耐热性、耐化学性、机械强度均比脂肪族多元胺好。(分子中含一个或多个苯环)比脂肪族多元胺好。(分子中含一个或多个苯环)缺点:缺点:(1)活性低,大多需加热后固化。)活性低,大多需加热后固化。原因:与脂肪族多元胺相比,氮原子上电原因:与脂肪族多元胺相比,氮原子
14、上电子云密度降低,使得碱性减弱,同时还有苯环的位子云密度降低,使得碱性减弱,同时还有苯环的位阻效应;阻效应;(2)大多为固体,其熔点较高,工艺性较差。)大多为固体,其熔点较高,工艺性较差。二,化学性能芳香胺的液化芳香胺的液化(1)低共熔点混合法。)低共熔点混合法。这是最简单的改性方法。将两种或两种以上不这是最简单的改性方法。将两种或两种以上不同熔点的芳香胺按一定比例加热混熔成低共熔点混同熔点的芳香胺按一定比例加热混熔成低共熔点混合物或液体。通常将合物或液体。通常将6075%(质量分数)(质量分数)MPD与与4025%的的DDM混合熔融,混合物在常混合熔融,混合物在常温下为液体;温下为液体;(2
15、)芳族多元胺与单缩水甘油醚反应生成液态加成)芳族多元胺与单缩水甘油醚反应生成液态加成物。物。如如590固化剂,固化剂,MPD+苯基缩水甘油醚,反应苯基缩水甘油醚,反应得到棕黑色粘稠液体。得到棕黑色粘稠液体。二,化学性能H2H2NNH2H2NCH2NH2H2NSO2NH2H2CH2NCH2N间苯二胺间苯二胺 4,4二胺基二苯基甲烷(二胺基二苯基甲烷(DDM)间苯二甲胺间苯二甲胺 4,4二胺基二苯二胺基二苯砜砜(DDS)二,化学性能间苯二胺(苯二胺(MPD)性性态:无色或淡黄色:无色或淡黄色结晶,熔点晶,熔点63,空气中放置容易氧化成黑色;,空气中放置容易氧化成黑色;特点:特点:(1)适用期)适用
16、期较脂肪族胺要脂肪族胺要长。2.5h/50g(50);(2)固化物耐)固化物耐热性性较好。好。HDT可达可达150(2h/80+2h/150)(3)一般不直接使用,作)一般不直接使用,作为改性胺的原料。改性胺的原料。二氨基二苯甲二氨基二苯甲烷(DDM)性性态:白色:白色结晶,熔点晶,熔点89,在日光下,在日光下长时间暴露也会暴露也会变成黑色;成黑色;特点:特点:(1)反)反应活性比活性比MPD低;低;(2)热稳定性好,固化物即使在高温下也保持良好的力学性能与定性好,固化物即使在高温下也保持良好的力学性能与电性能;性能;(3)主要用于)主要用于浇铸、层压配方中。配方中。二,化学性能二氨基二苯基二
17、氨基二苯基砜(DDS)性性态:浅黄色粉末,熔点:浅黄色粉末,熔点178,暴露于空气或,暴露于空气或见光会氧化光会氧化变成淡成淡红色;色;特点:特点:(1)活性在芳香胺中最低。()活性在芳香胺中最低。(砜基的吸基的吸电子效子效应)无促)无促进剂,最,最终固化温度高达固化温度高达175200;(2)固化物高耐)固化物高耐热,在所有胺,在所有胺类固化固化剂中中HDT最高。如固化最高。如固化E型型环氧的氧的HDT可达可达193;(3)适用于耐)适用于耐热胶粘胶粘剂及耐及耐热层压材料。材料。间苯二甲二胺(苯二甲二胺(mXDA)性性态:无色至黄色透明液体,凝固点:无色至黄色透明液体,凝固点12;特点:特点
18、:(1)活性在芳香族胺中最高。(苯)活性在芳香族胺中最高。(苯环侧链上有脂肪族伯胺上有脂肪族伯胺氢原子,原子,活性同脂肪族多元胺,室温固化)活性同脂肪族多元胺,室温固化)(2)固化物耐)固化物耐热性介于脂肪族胺与芳香族胺之性介于脂肪族胺与芳香族胺之间;(3)蒸汽)蒸汽压低,毒性低,毒性较大。大。(4)易吸收空气中的)易吸收空气中的CO2形成氨基甲酸形成氨基甲酸盐,固化,固化时受受热分解分解产生生CO2,使制品起泡而影响性能。,使制品起泡而影响性能。二,化学性能1.3改性多元胺的制备方法改性多元胺的制备方法1.3.1环氧化合物加成多胺环氧化合物加成多胺例:例:593固化固化剂:DETA+6601
19、.3.2迈克尔加成多元胺迈克尔加成多元胺胺的活泼氢对胺的活泼氢对、不饱和键能迅速起加成反应,该反应称不饱和键能迅速起加成反应,该反应称为迈克尔反应(为迈克尔反应(Michaclreaction),特别是丙烯腈的加特别是丙烯腈的加成反应生成腈乙基化物在降低反应活性,改善与成反应生成腈乙基化物在降低反应活性,改善与EP的相容的相容性方面特别有效。性方面特别有效。典型反应如下:典型反应如下:二,化学性能曼尼斯加成多元胺曼尼斯加成多元胺由多元胺和甲醛、苯酚的缩合反应制得。由多元胺和甲醛、苯酚的缩合反应制得。曼尼斯反应(曼尼斯反应(Mannichreaction)为多元胺、甲醛、苯酚)为多元胺、甲醛、苯
20、酚的三分子缩合反应。典型反应如下:的三分子缩合反应。典型反应如下:特点:产物能在低温、潮湿、水下施工固化特点:产物能在低温、潮湿、水下施工固化EP。典型产品:典型产品:T-31,最简单是由二乙烯三胺,最简单是由二乙烯三胺+甲醛甲醛+苯酚苯酚适宜在土木工程中应用,用于混凝土石料、钢材、瓷砖等适宜在土木工程中应用,用于混凝土石料、钢材、瓷砖等材料之间的粘接、嵌缝,建筑物、桥梁、隧道、公路的快速材料之间的粘接、嵌缝,建筑物、桥梁、隧道、公路的快速修复与加固。修复与加固。二,化学性能硫脲硫脲-多元胺缩合物多元胺缩合物由多元胺和硫脲反应制得,为低温固化剂。由多元胺和硫脲反应制得,为低温固化剂。硫脲和脂肪
21、族多硫脲和脂肪族多元胺在加热到元胺在加热到100以上,进行缩合反应放出氨气,生成缩以上,进行缩合反应放出氨气,生成缩合物:合物:特点:能在极低的温度下(特点:能在极低的温度下(0以下)固化以下)固化EP。二,化学性能4,其他固化,其他固化剂4.1聚酰胺固化剂聚酰胺固化剂特点特点(1)挥发性和毒性很小;)挥发性和毒性很小;(2)与)与EP相容性良好;相容性良好;(3)化学计量要求不严,用量可在)化学计量要求不严,用量可在40100phr间变化;间变化;(4)对固化物有很好的增韧效果;)对固化物有很好的增韧效果;(5)放热效应低,适用期较长。)放热效应低,适用期较长。缺点:固化物的耐热性较低缺点:
22、固化物的耐热性较低二,化学性能4.2酸酐类固化剂酸酐类固化剂多元酸:也可固化多元酸:也可固化EP,但反应速度很慢,由于不能生,但反应速度很慢,由于不能生成高交联度高产物,因此不能作为固化剂之用。成高交联度高产物,因此不能作为固化剂之用。多元羧酸酐特点:多元羧酸酐特点:(1)低挥发性、毒性小,对皮肤基本没有刺激性;)低挥发性、毒性小,对皮肤基本没有刺激性;(2)固化反应缓慢,放热量小,适用期长;)固化反应缓慢,放热量小,适用期长;(3)固化产物收缩率低、耐热性高;)固化产物收缩率低、耐热性高;(4)固化产物的机械强度高、电性能优良。)固化产物的机械强度高、电性能优良。缺点:需加热固化,固化周期较
23、长。缺点:需加热固化,固化周期较长。作为作为EP常用固化剂,其重要性仅次于多元胺类固化剂。常用固化剂,其重要性仅次于多元胺类固化剂。反应机理反应机理 生成含酯链的羧酸生成含酯链的羧酸生成带羟基的二酯生成带羟基的二酯环氧基与新生成或已存在羟基发生醚化反应环氧基与新生成或已存在羟基发生醚化反应路易士碱(如叔胺)促进作用路易士碱(如叔胺)促进作用生成羧酸盐阴离子生成羧酸盐阴离子生成氧阴离子生成氧阴离子氧阴离子与酸酐反应生成酯化结构氧阴离子与酸酐反应生成酯化结构路易士酸(如三氟化硼)促进路易士酸(如三氟化硼)促进生成酯化结构生成酯化结构催化剂直接影响两个竞争反应,即酯化反应与醚化反应。催化剂直接影响两
24、个竞争反应,即酯化反应与醚化反应。故有无催化剂,酸酐固化故有无催化剂,酸酐固化EP的性能有差异,添加催化剂的性能要好。的性能有差异,添加催化剂的性能要好。酸酸酐固化固化剂主要品种主要品种活性顺序:顺酐苯酐四氢苯酐甲基四氢苯酐活性顺序:顺酐苯酐四氢苯酐甲基四氢苯酐MAPATHPAMeTHPA氯茵酸酐(氯茵酸酐(HET)又称氯桥酸酐()又称氯桥酸酐(CA),全称:),全称:六氯内次甲基四氢邻苯二甲酸酐。六氯内次甲基四氢邻苯二甲酸酐。分子量分子量370.9,白色晶粉末,白色晶粉末,熔点熔点231235。溶于丙酮、苯,微溶于正已。溶于丙酮、苯,微溶于正已烷、四氯化碳。在水中水解为氯桥酸。烷、四氯化碳。
25、在水中水解为氯桥酸。用作环氧树脂的固化剂,参考用量用作环氧树脂的固化剂,参考用量100110phr。固化条件:。固化条件:l002h十十1604h或或1202h十十1802h或或1001h十十1604h十十2001h。固化物具有优良的。固化物具有优良的阻燃性、电性能和机械性能。热变形温度阻燃性、电性能和机械性能。热变形温度1815,常用的促进剂品种,常用的促进剂品种苄基二甲胺苄基二甲胺 2乙基乙基4甲基咪甲基咪唑唑 2-甲基咪甲基咪唑唑 DMP-10DMP-206,离子聚合,离子聚合环氧树脂通过离子型聚合反应的固化环氧树脂通过离子型聚合反应的固化催化性固化剂:仅仅起固化反应的催化作用,催化性固
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