添加剂的化学基团对环氧树脂固化产物耐热性的影响*

李子帙,李亮亮,吴学哲,陈军辉, 任雄飞

(哈尔滨理工大学应用科学学院，黑龙江　哈尔滨　150080)



添加剂的化学基团对环氧树脂固化产物耐热性的影响*

李子帙,李亮亮,吴学哲,陈军辉, 任雄飞

(哈尔滨理工大学应用科学学院，黑龙江哈尔滨150080)

环氧树脂低分子聚酰胺因良好的综合性能而成为使用范围较广的高分子材料，但热性能不理想限制了其使用。本文采用三因素两水平正交设计试验方法研究了醇类、硅油、丁基缩水甘油醚三种添加剂对EP-44固化物热性能的影响。实验结果显示：含羟基的醇类和硅油的添加能使EP-44固化物的热变形温度提高22.6%，而含单环氧基的丁基缩水甘油醚和硅油的加入则使热变形温度降低7.3%。

正交设计； 环氧树脂 ；低分子聚酰胺；热变性温度；添加剂

环氧树脂由于其优异的性能特点和应用特点而成为热固性树脂基复合材料中最重要的基体之一。环氧树脂自身拥有力学性能好、粘合力高、收缩率低和绝缘性好等优点。然而，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、抗冲击韧性、耐热性不高等缺点。这在很大程度上制约了环氧树脂的应用[1-3]。为了得到具有预期的热变性温度的固化物，本论文研究的侧重点是如何降低环氧树脂的脆性、提高其耐热性。环氧树脂几乎不能单独使用，要和固化剂、添加剂一起使用才能实现特定的性能要求。由于固化剂、添加剂种类很多并且在使用时不同的用量都会对最终的固化产物有不同的影响，因此环氧树脂的配方设计具有极大的灵活性，但也给配方设计的实验工作带来了巨大的工作量。当要针对某一性能要求配方优化设计时，需要考虑很多种影响因素，各个因素又具有不同的状态水平。如果实验方案安排不合理会做出很多低水平的重复性实验，往往也达不到理想的实验结果。正交设计方法是广泛使用的一种研究多因子多水平实验问题的重要数学方法。该方法主要用正交表这一工具进行整体设计、综合比较，挑选出若干必须进行的实验并对实验结果进行综合分析处理，所以引入正交试验设计方法不但提高实验效率，并能有效分析各因子对热变性温度影响的主次性，从而大大减少了实验次数和试验周期及成本[4]。

1　实验部分

1.1实验仪器

XWB-300B热变形温度测定仪，承市科承试验机有限公司；DHG-9070A电热恒温鼓风干燥箱，上海一恒科技有限公司；ALC3103精密电子天平，上海精密仪器有限公司。

1.2实验材料

凤凰牌环氧树脂(E-44)，蓝星新材料无锡树脂厂；低分子聚酰胺树脂，北京香山联合助剂厂；醇类物质(A)、硅油(B)、丁基缩水甘油醚(C)。

1.3实验方法

1.3.1制备试样

制作条形模具，在模具表面均匀涂一层脱模剂、用出天平按照一定比例称取环氧树脂(E-44)、低分子聚酰胺树脂，混合，浇铸，室温放置12 h后将试样移入恒温干燥箱中，升温至100 ℃后保温1 h，然后随炉冷却，把标准试样从模具中取出后待测试。

1.3.2热变形温度的测量

参照GB1634-76热变性温度的试验方法，分别测量每个试样的厚度、宽度，然后计算每个样品的平均值，由式(1)求得每块试样对应的负荷量。

(1)

式中，b、h为样品的平均宽度、厚度，g为重力加速度。把试样放在支架上，压头小心压好并施加相应的负荷，调节变形量测试装置的使形变量为零，把支架浸入硅油浴槽。设置热变形温度测试仪的上限温度为300 ℃，升温速率为120 ℃/h，变形量为0.33 mm，设定完成打开搅拌器、开始等速升温，直到形变测量装置示数达到0.33 mm时记下该温度，此温度即为所测试样的热变形温度。通过制备环氧树脂和低分子聚酰胺树脂的标准试样并进行了热变形温度的测定。测得环氧树脂和低分子聚酰胺树脂的固化物(即1号样品)热变形温度为79.3 ℃。为了研究醇类物质(A)、有机硅油(B)、活性稀释剂(C)三种物质对固化材料热性能的影响，利用正交试验设计方法进行实验方案的设计。本实验确定醇类物质、有机硅油、活性稀释剂等三个因子，而每个因子又都可取两个水平(即不添加和添加)应为一个23因子试验，用正交表L4(23)安排实验，正交表见表1。

表1　正交设计表

注：水平1代表不添加，水平2代表添加。

2　结果及其分析

2.1实验结果

将制备好的样品按照2.4的方法进行热变形温度的测定，在测量每组试样时应使起始温度在23 ℃左右，各组样品的测试结果见表2。

表2　四组试样的热变形温度

2.2实验结果分析

为了更好的确定三个因素的水平对固化产物热性能的影响，各采取哪种水平使固化物的热性能变好或变坏，以下采用正交设计综合比较分析：

3　结　论

本文利用正交设计研究环氧树脂配方，简化了涉及多因素时试验设计和减少试验次数和节约成本，得到了所需热变性温度的配方。结论如下：

(1)有机硅油和活性稀释剂丁基缩水甘油醚配合使用(使用质量比为1:1)时会降低环氧树脂固化物固化程度，显著降低其耐热性能。

(2)环氧树脂EP-44只和低分子聚酰胺(使用质量比为3:1)固化后的热变形温度为79.3 ℃，添加醇类和等量硅油(与EP-44的质量比为36:1:1)时，其热变形温度提高22.6%。

(3)选用A、B、C三种添加剂时，取A2B2C1作为配方能获得耐热性能更优良的环氧树脂固化物。

通过改变A、B、C三种添加剂的组分配比得到一系列定制的的热变性温度的高分子功能材料，以满足生产生活的需求，简便实用，此方法可推广。

[1]王传秀,高荣杰,林慧,等，促进剂对环氧树脂固化性能影响研究[J]工程塑料的应用,2013(03):90-93.

[2]谭家顶,程珏,郭晶,等,几种胺类固化剂对环氧树脂固化行为及固化物性能的影响[J]化工学报,2011(06):1723-1729.

[3]孙曼灵.环氧树脂应用原理与技术[M].北京:机械工业出版社，2002:252.

[4]龚裕,朱海业,李楠. 基于正交试验方法的相邻电容传感器优化设计[J].北京工业大学学报, 2015(01):13-19.

Research on Chemical Group of Additives Effect of Heat Resistance of EP Cured Products*

LIZi-zhi,LILiang-liang,WUXue-zhe,CHENJun-hui,RENXiong-fei

(College of Applied Science, Harbin University of Science and Technology, Heilongjiang Harbin 150080, China)

Epoxy resin with low molecular polyamide has been widely used because of its good comprehensive properties, but its thermal performance is not ideal. Orthogonal experimental design was used to study the impact of three additives alcohol, silicone oil and butyl to EP-44 Cured thermal properties.The results showed that alcohol was added to make the heat distortion temperature of the cured EP-44 increase to 22.6%, while containing a single epoxy-butyl ether, and silicone oil reduced the heat distortion temperature to 7.3%.

orthogonal experimental design;epoxy resin;low molecular polyamide heat distortion temperature；additive

哈尔滨理工大学开放实验(2014年)。

李子帙(1964-)，女，高级工程师，主要研究方向功能高分子材料。

O62

A

1001-9677(2016)03-0067-02