CN102863747A - 一种耐高温高强度环氧泡沫塑料及其制备方法 - Google Patents

一种耐高温高强度环氧泡沫塑料及其制备方法 Download PDF

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陈可平
王建华
周秋明
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Abstract

本发明公开了一种耐高温高强度环氧泡沫塑料及其制备方法，其配方包括：环氧树脂50%至80%，固化剂10%至40%，增强剂0%至30%，泡沫稳定剂0.5%至5%，发泡剂0.5%至4%。本发明的制备方法，包括以下步骤：将环氧树脂、表面活性剂、增强剂加入100℃至150℃的反应釜中，反应一段时间后，加入发泡剂，快速搅拌均匀，将物料浇注到预热的模具中，发泡完成后，将泡沫放入烘箱中，固化，冷却，脱模，得到耐高温环氧泡沫塑料。与现有的环氧泡沫塑料相比，本发明制备得到的环氧泡沫塑料，玻璃化转变温度可以高达220℃，能够满足200℃高温环境的应用需求。

Description

一种耐高温高强度环氧泡沫塑料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种环氧泡沫塑料及其制备方法，特别涉及一种耐高温的高强度环氧泡沫塑料及其制备方法。
背景技术
环氧泡沫由于具有质轻、较好的热稳定性、良好的力学性能、低的介电常数和损耗因子、良好的隔热性能、成型工艺性能以及低成本等优异特性，在汽车、电子灌封、飞机制件、包装箱、船体外壳等领域有广泛的应用，从而引起了人们的关注。早在20世纪40年代，就已经开始了相关的研制开发，如SHELL公司申请的英国专利（GB912967）报道了采用与基体环氧树脂相容性较好的液态发泡剂制备得到的环氧泡沫，具有较好的电绝缘性和力学性能，且在电子灌封方面具有较高的应用价值。环氧泡沫在航空航天等领域也有着广泛的应用，如DC-10飞机部件。随着电子、汽车、特别是航空航天等领域的快速发展，对泡沫材料的耐高温性能和力学强度提出了更为苛刻的要求，传统的环氧泡沫塑料已不能满足现有需求，因此，开发出兼具优异的耐热性能和较高强度的环氧泡沫塑料具有十分重要的实用价值。
环氧泡沫塑料的耐热性能主要取决于环氧树脂本身的分子骨架结构及固化剂的结构，同时与固化工艺、交联度以及使用的改性填料等密切有关。1964年，美国Nixon等人开发出了一种环氧-硼氧烷泡沫，耐高温性较好，且具有自熄灭特性，但该种泡沫材料制备工序复杂，仅限于实验室研究，难以工业化生产。
环氧泡沫塑料的制备方法主要有化学发泡法、物理发泡法、中空微珠填充法等。化学（或物理）发泡法是通过向体系中添加能受热分解（或汽化）产生气体的发泡剂，低分子环氧树脂固化并将气体包裹，从而形成泡沫材料。而中空微珠填充法是直接将固定尺寸的中孔微珠混入体系中固化成型，该方法仅适合于制备高密度的环氧泡沫塑料。文献中报道的环氧泡沫塑料多集中在采用中空微珠填充法制备的复合环氧泡沫。前两种方法由于其制备过程包括了低分子环氧树脂的固化过程和发泡剂的发泡过程，两种反应过程同时进行，因此，要制备泡孔结构较精细且具有较高机械强度的环氧泡沫，固化过程和发泡过程之间的匹配十分重要。到目前为止，尚未见采用化学发泡法制备得到具有耐高温特性的环氧泡沫塑料的相关报道，且对环氧泡沫塑料的制备过程及工艺还研究的不够充分，大多数有关配方和工艺的资料都是以专利形式发表，例如：
日本专利JP2007161856介绍了一种采用环氧树脂、多异氰酸酯、多缩水甘油醚、水等组分为原料，制备耐热型环氧泡沫塑料的方法。报道称该环氧泡沫塑料的热分解温度在200℃至280℃范围内，密度为0.05g/cm3左右时，压缩强度为0.08MPa至0.12MPa。
美国专利US20006110982报道了采用不同反应活性的环氧树脂作为复合基体，并采用多种复合固化剂进行逐步固化的制备方法，报道称该方法可以有效避免大尺寸泡沫制件的过度反应导致的烧心等问题。
美国专利US20110042843报道了一种具有较低密度的环氧泡沫塑料，称该种材料的玻璃化转变温度为95℃左右，并具有较好的力学性能（如密度为0.15g/cm3时,压缩强度为1.4MPa）和电绝缘特性。
此外，中华人民共和国知识产权局公开的中国专利申请CN101319085公开了一种轻质高强度的环氧泡沫制备工艺，即采用“预反应”的制备工艺，使环氧泡沫塑料的发泡速度和固化速度相协调，再进一步“后固化”和定型过程，得到轻质高强度的环氧发泡材料，但该种环氧泡沫塑料采用的发泡剂分解温度及固化温度都低于150℃，不能满足耐高温环境的需求。
综上所述，目前大多数研究集中在普通型环氧泡沫塑料的制备方法及工艺改进方面，对耐高温型环氧泡沫塑料的关注较少。因此，开发出兼具优异的耐热性能和力学强度的环氧泡沫塑料具有十分重要的实用价值。
发明内容
本发明目的是提供一种成本低廉，能规模化生产的耐高温的环氧泡沫塑料的配方及制备方法，以进一步提高环氧泡沫塑料耐热性能及力学性能。
为实现该目的，本发明通过以下方案予以实现：
本发明的耐高温高强度环氧泡沫塑料，其配方组成的质量百分比为：
环氧树脂：50%至80%
固化剂：10%至40%
增强剂：0%至30%
泡沫稳定剂：0.5%至5%
发泡剂：0.5%至4%
所述的环氧树脂为酚醛型环氧树脂、双酚S型环氧树脂、双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂中的一种或几种。
所述的固化剂为二乙基甲苯二胺、4,4′-二氨基二苯砜（DDS）、4,4′-二氨基二苯醚（DDE）、二氨基二苯甲烷（DDM）中的一种或几种。
所述的增强剂为二氧化硅（SiO2）、空心玻璃微珠、蒙脱土中的一种或几种。
所述的泡沫稳定剂为硅油类泡沫稳定剂、吐温-20、吐温-80中的一种。
所述的发泡剂为偶氮二异戊腈、偶氮二甲酰胺、改性偶氮二甲酰胺、N,N-二亚硝基五次甲基四胺、N,N-二甲基-N,N-二亚对苯二甲酰胺等发泡剂中的一种。
本发明的耐高温环氧泡沫塑料的制备方法，该方法包括以下步骤：
（1）将环氧树脂、表面活性剂、增强剂加入反应釜中，维持反应釜的温度为100℃至150℃，搅拌一定时间，使各物料分散均匀。
（2）当物料混合均匀后，加入固化剂，继续搅拌均匀，进行预聚过程，并观察体系粘度变化情况。
（3）预聚10至50分钟后，加入发泡剂，快速搅拌均匀，将物料浇注到预热的模具中，转移至180℃的烘箱中进行发泡，发泡完成后，继续在相同条件下固化4至6小时后，自然冷却至室温，脱模，即得到耐高温型环氧泡沫塑料。
与现有的制备方法相比，本发明制备的环氧泡沫塑料具有以下特点：
与现有的环氧泡沫相比，本发明通过分子结构设计，将具有刚性分子结构与柔性分子结构的环氧树脂进行复配，以芳香胺为固化剂，并采用“预反应”过程使得环氧树脂体系的发泡速率和固化速率相匹配，然后再进一步“后固化”，可以很好的控制体系的发泡过程和固化过程，获得泡孔结构致密、均匀的轻质高强度耐高温型环氧泡沫（见附图1）。制备的环氧泡沫塑料兼具突出的耐热性能（玻璃化转变温度可以达到220℃以上，热分解温度可达400℃以上）（见附图2）和力学强度，进一步拓展了环氧泡沫塑料在极端恶劣条件下应用。
附图说明
图1为本发明耐高温高强度环氧泡沫塑料扫描电子显微镜（SEM）图。
图2为本发明耐高温高强度环氧泡沫塑料动态热机械分析（DMA）曲线。
具体实施方式：
本发明涉及一种耐高温高强度的环氧泡沫塑料及其制备方法，其配方组成的质量份数比为：
环氧树脂：50%至80%
固化剂：10%至40%
增强剂：0%至30%
泡沫稳定剂：0.5%至5%
发泡剂：0.5%至4%
所述的环氧树脂为酚醛型环氧树脂、双酚S型环氧树脂、双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂中的一种或以上。
所述的固化剂为二乙基甲苯二胺、4,4′-二氨基二苯砜（DDS）、4,4′-二氨基二苯醚（DDE）、二氨基二苯甲烷（DDM）中的一种或以上。
所述的增强剂为二氧化硅（SiO2）、空心玻璃微珠、蒙脱土中的一种或以上。
所述的泡沫稳定剂为硅油类泡沫稳定剂、吐温-20、吐温-80中的一种。
所述的发泡剂为偶氮二异戊腈、偶氮二甲酰胺、改性偶氮二甲酰胺、N,N-二亚硝基五次甲基四胺、N,N-二甲基-N,N-二亚对苯二甲酰胺等发泡剂中的一种。
本发明是以芳香胺为固化剂的耐高温环氧泡沫塑料的制备方法，该方法包括以下步骤：
（1）将环氧树脂、表面活性剂、增强剂加入反应釜中，维持反应釜的温度为100℃至150℃，搅拌一定时间，使各物料分散均匀。
（2）当物料混合均匀后，加入固化剂，继续搅拌均匀，进行预聚过程，并观察体系粘度变化情况。
（3）预聚10-50分钟后，加入发泡剂，快速搅拌均匀，将物料浇注到预热的模具中，转移至180℃的烘箱中进行发泡，发泡完成后，继续在相同条件下固化4-6小时，自然冷却至室温，脱模，得到耐高温型环氧泡沫塑料。
实施例1：
一种耐高温轻质高强度环氧泡沫塑料的制备方法：将100份双酚S型环氧树脂和2份吐温-20加入反应釜并置于150℃油浴中加热熔融，并在500rpm至1000rpm转速下搅拌均匀，继续加入4,4′-二氨基二苯砜（DDS）21.88份，预聚15分钟，继续加入1.5份偶氮二甲酰胺发泡剂，搅拌反应5至10分钟后，将物料浇注到预热到180℃的模具中，并转移到烘箱中，维持烘箱温度180℃，保温4小时后随炉冷却至室温脱模，得到密度0.33g/cm3的环氧泡沫塑料。玻璃化转变温度（Tg）为211℃，压缩强度（σ0.01、即压缩应变为1%时的应力）为3.52MPa。
实施例2：
本实施例其它同实施例1，不同之处在于：选用100份双酚A型环氧树脂（E-51型）、33.2份固化剂DDS，预聚温度为130℃，预聚30分钟，继续加入1.5份偶氮二甲酰胺发泡剂，搅拌反应5至10分钟后，将物料浇注到预热到180℃的模具中，并转移到烘箱中，维持烘箱温度180℃，保温4小时后随炉冷却至室温脱模，得到密度0.42g/cm3的环氧泡沫塑料。玻璃化转变温度（Tg）为181℃，压缩强度（σ0.01）为5.59MPa。
实施例3：
本实施例其它同实施例1，不同之处在于：选用100份双酚F型环氧树脂、27.5份固化剂DDS，预聚温度为140℃，预聚30分钟，继续加入1.5份偶氮二甲酰胺发泡剂，搅拌反应5至10分钟后，将物料浇注到预热到180℃的模具中，并转移到烘箱中，维持烘箱温度180℃，保温4小时后随炉冷却至室温脱模，得到密度0.37g/cm3的环氧泡沫塑料。玻璃化转变温度（Tg）为205℃，压缩强度（σ0.01）为4.30MPa。
实施例4：
本实施例其它同实施例1，不同之处在于：选用33.3份双酚S型环氧树脂、33.3份双酚A型环氧树脂、33.3份双酚F型环氧树脂和27.5份固化剂DDS，预聚温度为140℃，预聚40分钟，继续加入1.5份偶氮二甲酰胺发泡剂，搅拌反应5至10分钟后，将物料浇注到预热到180℃的模具中，并转移到烘箱中，维持烘箱温度180℃，保温4小时后随炉冷却至室温脱模，得到密度0.39g/cm3的环氧泡沫塑料。玻璃化转变温度（Tg）为204℃，压缩强度（σ0.01）为3.71MPa。
实施例5：
本实施例其它同实施例1，不同之处在于：选用50份双酚S型环氧树脂和50份双酚A型环氧树脂，27.5份固化剂DDS，预聚温度为140℃，预聚40分钟，继续加入1.0份偶氮二甲酰胺发泡剂，搅拌反应5至10分钟后，将物料浇注到预热到180℃的模具中，并转移到烘箱中，维持烘箱温度180℃，保温4小时后随炉冷却至室温脱模，得到密度0.27g/cm3的环氧泡沫塑料。玻璃化转变温度（Tg）为193℃，压缩强度（σ0.01）为1.84MPa。
实施例6：
本实施例其它同实施例5，不同之处在于：选用2.5份偶氮二甲酰胺发泡剂，得到密度0.34g/cm3的环氧泡沫塑料。玻璃化转变温度（Tg）为191℃，压缩强度（σ0.01）为2.54MPa。
实施例7：
本实施例其它同实施例5，不同之处在于：选用1.0份偶氮二甲酰胺发泡剂，得到密度0.54g/cm3的环氧泡沫塑料。玻璃化转变温度（Tg）为194℃，压缩强度（σ0.01）为6.15MPa。
实施例8：
本实施例其它同实施例5，不同之处在于：加入20份空心玻璃微珠作为增强剂，预聚时间为25分钟，得到密度0.34g/cm3的环氧泡沫塑料。玻璃化转变温度（Tg）为194℃，压缩强度（σ0.01）为5.17MPa。
实施例9：
本实施例其它同实施例5，不同之处在于：加入10份微米二氧化硅作为增强剂，预聚时间为25分钟，得到密度0.36g/cm3的环氧泡沫塑料。玻璃化转变温度（Tg）为221℃，压缩强度（σ0.01）为4.12MPa。
环氧泡沫塑料的密度、耐热性能及压缩强度见下表：
Figure BDA00002189293300061

Claims (10)

1.一种耐高温高强度环氧泡沫塑料，其特征在于：所述的环氧泡沫塑料的原材料配方组成为：
环氧树脂：50%至80%
固化剂：10%至40%
增强剂：0%至30%
泡沫稳定剂：0.5%至5%
发泡剂：0.5%至4%。
2.根据权利要求1所述的耐高温高强度环氧泡沫塑料，其特征在于：所述的环氧树脂为酚醛型环氧树脂、双酚S型环氧树脂、双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的耐高温轻质高强环氧泡沫塑料，其特征在于：所述的固化剂为二乙基甲苯二胺、4,4′-二氨基二苯砜、4,4′-二氨基二苯醚、二氨基二苯甲烷中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的耐高温轻质高强环氧泡沫塑料，其特征在于：所述的固化剂为4,4′-二氨基二苯砜或二氨基二苯甲烷中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的耐高温轻质高强环氧泡沫塑料，其特征在于：所述的增强剂为二氧化硅、空心玻璃微珠、蒙脱土中的一种或几种。
6.根据权利要求5所述的耐高温轻质高强环氧泡沫塑料，其特征在于：所述的二氧化硅的粒径为7μm至10μm。
7.根据权利要求5所述的耐高温轻质高强环氧泡沫塑料，其特征在于：所述的空心玻璃微珠为粒径为8μm至80μm，密度为0.40g/cm3至0.60g/cm3。
8.根据权利要求1所述的耐高温轻质高强环氧泡沫塑料，其特征在于：所述的泡沫稳定剂为硅油类泡沫稳定剂、吐温-20、吐温-80中的一种。
9.根据权利要求1所述的耐高温轻质高强环氧泡沫塑料，其特征在于：所述的发泡剂为偶氮二异戊腈、偶氮二甲酰胺、改性偶氮二甲酰胺、N,N-二亚硝基五次甲基四胺、N,N-二甲基-N,N-二亚对苯二甲酰胺发泡剂中的一种。
10.根据权利要求1至9任一权利要求所述的耐高温轻质高强环氧泡沫塑料的制备方法，其特征在于：所述的制备方法依次包括如下步骤：
（1）将环氧树脂、表面活性剂、增强剂倒入反应釜中，维持反应釜的温度为100℃至150℃，搅拌一定时间，使各物料分散均匀；
（2）当物料混合均匀后，加入固化剂，在500rpm至1000rpm转速下继续搅拌，进行预聚过程，并观察体系粘度变化情况；
（3）预聚10至50分钟后，加入发泡剂，快速搅拌均匀，将物料浇注到预热的模具中，转移180℃的烘箱中进行发泡，发泡完成后，继续在相同条件下固化4至6小时，自然冷却至室温，脱模，即得到耐高温型环氧泡沫塑料。
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