一种双氰胺类环氧树脂固化剂及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于化学合成技术领域,具体涉及一种双氰胺类环氧树脂固化剂及其制备方法与应用。
背景技术
双氰胺类固化剂作为最早使用的热潜伏性固化剂,具有稳定性好,适用期长,粘结性好等优点。广泛应用于粉末涂料,胶黏剂及玻璃布层压板中,但其固化温度过高,和环氧树脂相容性不好限制了其应用。
其中,日本专利(昭52-5899.1977)通过胺类改性双氰胺得到双胍化合物虽然能够降低固化温度,提高与环氧树脂的溶解性,但效果不够显著且以缩短适用期作为代价。
美国专利(PCT/US92/09172)通过反应得到双氰胺衍生物虽与环氧树脂具有良好的溶解性,但固化温度过高,工艺复杂。
根据现有技术材料及实际应用方面看,只有双氰胺类固化剂与环氧树脂混合良好时才会发挥其优良的性能,否则会由于固化不均匀而使固化后模量下降,受力易断,耐热性也随之下降。当前主要通过以下2种方法对双氰胺类固化剂进行前处理克服这一难题:(1)合成新型的环氧树脂固化剂;(2)对双氰胺类固化剂进行使用前充分研磨。无论上述哪种方法都或者是以牺牲其他方面的性能作为代价,或由于工艺繁杂,效率低下而饱受诟病。目前开发出一种和环氧树脂具有良好相容性且可降低固化温度,同时不损害其室温存储性的双氰胺类环氧树脂已是当务之急。
发明内容
为了克服现有技术的不足和缺点,本发明的首要目的在于提供一种双氰胺类环氧树脂固化剂,该双氰胺类环氧树脂固化剂和环氧树脂既具有良好相容性的同时又可降低固化温度,且不损害其室温存储性。
本发明的另一目的在于提供上述双氰胺类环氧树脂固化剂的制备方法。
本发明的再一目的在于一种单组份胶黏剂,该胶黏剂含有上述双氰胺类环氧树脂固化剂作为潜伏性固化剂。
本发明的第四个目的在于提供上述双氰胺类环氧树脂固化剂和单组份胶黏剂的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现:
一种双氰胺类环氧树脂固化剂,包含式Ⅰ所示结构的化合物;
该化合物中,对于各个残基,分别同时或彼此独立的适用:
其中,R1,R2…R10为同时或彼此独立的氢、卤素或C1~C10的烷基,或共同作用形成C3~C10的亚烷基环,或C3~C15的环烷基,芳基,芳烷基;
R为如下所示基团中的至少一种:
其中,n为1~10的整数,R’1,R’2,R’3…R’8为独立地氢或C1~C15的烷基,C3~C18的环烷基,或共同作用形成的亚烷基环;
所述的双氰胺类环氧树脂固化剂优选为式Ⅱ所示结构的化合物:
所述的双氰胺类环氧树脂固化剂进一步优选为式Ⅲ所示结构的化合物:
所述的双氰胺类环氧树脂固化剂更进一步优选为式Ⅳ所示结构的化合物:
所述的双氰胺类环氧树脂固化剂制备方法,包含如下步骤:
(1)分别将二氰胺钠和NH2-R-NH2溶于DMSO中,配成饱和溶液;将NH2-R-NH2的DMSO饱和溶液缓慢滴加到二氰胺钠的DMSO饱和溶液中,同时通入惰性气体,控制反应温度为70~130℃,反应6~10h后,洗涤,干燥得到白色固体;
(2)取过量苯胺类化合物滴加到步骤(1)所得白色固体的DMSO溶液中,通入惰性气体,在80~120℃反应4~10h,洗涤干燥,得到双氰胺类环氧树脂固化剂;
所述的双氰胺类环氧树脂固化剂合成路线如下所示:
其中R’可以为上述R1~R10基团中至少一种;
此外,只要不阻碍本发明的效果,所述的双氰胺类环氧树脂固化剂也可以含有作为环氧树脂固化剂的环氧树脂酸酐类固化剂、环氧树脂胺类固化剂和环氧树脂咪唑类固化剂中的至少一种;
所述的环氧树脂酸酐类固化剂没有特别限定,可以列举出如邻苯二甲酸酐、四氢邻苯二甲酸酐、六氢邻苯二甲酸酐、甲基四氢邻苯二甲酸酐、甲基六氢邻苯二甲酸酐、均苯四甲酸酐、马来酸酐等,他们可以单独或者包含多种使用;
所述的环氧树脂胺类固化剂没有特别限制,可以列举出如二乙烯三胺、孟烷二胺、双(4-氨基-3-甲基环己基)甲烷()、甲苯二甲胺、二氨基二苯甲烷、己二酸二酰肼等,他们可以单独或者包含多种使用;
所述的环氧树脂咪唑类固化剂没有明显限制,可以列举出如2-甲基咪唑、2-甲基-4-乙基咪唑、2-十一烷基咪唑、2-十七烷基咪唑、2-苯基咪唑、1-苯甲基-2-甲基咪唑、1-氰乙基-2-甲基咪唑、1-氰乙基-2-乙基-4-甲基咪唑、1-氰乙基-2-十一烷基咪唑、2,4-二氨基-6-[2-乙基-4-甲基咪唑基(1)]乙基顺式三嗪()、1,3苯甲基-2-甲基咪唑的氯化物(),此外还可以列举出上述化合物的盐类,它们可以单独或包含多种使用;
一种单组份胶黏剂,包含如下组分:环氧树脂和上述双氰胺类环氧树脂固化剂;
此外根据实际需要,所述的单组份胶黏剂还包含如下组分:环氧树脂固化促进剂、环氧树脂稀释剂、环氧树脂增韧剂、填料、环氧树脂偶联剂中的至少一种,它们之间既可独立作用,也可共同作用提高固化物性能;
所述的环氧树脂为缩水甘油醚类环氧树脂、缩水甘油脂类环氧树脂、缩水甘油胺类环氧树脂和脂环族环氧树脂中至少一种,优选为缩水甘油醚类环氧树脂,进一步优选为双酚A缩水甘油醚类环氧树脂和双酚F缩水甘油醚类环氧树脂中的至少一种;
所述的环氧树脂固化促进剂没有特别限定,可以列举出苄基二甲胺、2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚、二乙氨基丙胺等叔胺类;2-甲基咪唑、2-苯基咪唑、1-氰乙基-2-乙基-4-甲基咪唑等咪唑类;三苯基膦、亚磷酸三苯脂等有机膦系化合物;甲基三辛基膦二甲基磷酸盐、四丁基膦乙酸盐、三苯基乙基膦碘化物等季膦化合物;N-(2-羟基苯基)-N’,N’-二甲基脲()、N-(4-氯-2-羟基苯)-N’,N’-二甲基脲()、N-(4-氯苯基)-N’,N’-二甲基脲()等取代脲类;氯化锌、四氯化锡等金属卤化物;过氧化苯甲酰()、二叔丁基过氧化物、叔丁基过氧化苯甲酸酯等过氧化物;此外还可以用双氰胺、咪唑化合物、胺等加成到环氧树脂得到加成成环氧树脂固化促进剂;聚合物包覆咪唑类、胺类而形成的微胶囊潜伏性促进剂。这些固化促进剂既可以单独使用,也可以2种以上混合使用;
所述的环氧树脂稀释剂没有特别限定,可以列举出甲基丙烯酸缩水甘油醚、烯丙基缩水甘油醚、1,4-丁二醇二缩水甘油醚等甘油醚类;二缩水甘油苯胺;苯、甲苯、醇等非活性稀释剂;以上稀释剂既可以单独使用,也可以2种以上混合使用,可有效降低树脂的粘度;
所述的环氧树脂增韧剂没有特别限定,例如2-乙基己醇、聚丙二醇二缩水甘油醚、亚油酸二聚体二缩水甘油醚等环氧系增韧剂;聚丙二醇、聚四亚甲基二醇、己内酯聚醇等聚醇类;端羧基丁基腈橡胶、丙烯酸橡胶、有机硅橡胶等橡胶类增韧剂;此外聚硫化合物及聚氨酯类也可以作为环氧树脂组合物的增韧剂提高耐冲击强度;以上增韧剂既可单独作用,也可以2种以上混合使用,可明显提高环氧树脂组合物的韧性,改善固化树脂的耐热冲击性;
所述的填料没有特别限定,可包括改善固化物各种性能的材料,如可增加其强度的二氧化硅、改变其着色性的炭黑、氧化铝、高岭土、石棉、云母、滑石和起阻燃作用的有机磷酸酯等;以上填料既可单独作用,也可以2种以上混合使用;
所述的环氧树脂偶联剂没有特别限定,可以为乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(β-甲氧基乙氧基)硅烷、γ―氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷等;以上环氧树脂偶联剂既可单独作用,也可以2种以上混合使用;
所述的单组份胶黏剂中以质量份计,各组分的含量如下:
所述的环氧树脂的含量为10~90份,优选为40~80份;
所述的双氰胺类环氧树脂固化剂的含量根据树脂环氧值的不同可加以变化,一般来说,双氰胺类环氧树脂固化剂的含量为1~30份,优选为10~30份,进一步优选为20~30份;
所述的环氧树脂固化促进剂的含量为0.1~20份,优选为5~13份;
所述的环氧树脂稀释剂的含量为5~20份,优选为7~15份;
所述的环氧树脂增韧剂的含量为1~100份,优选为1~50份,进一步优选为10~30份;
所述的填料的含量为0.01~90份,优选为0.01~60份,进一步优选为1~15份;
所述的环氧树脂偶联剂的含量为0.01~20份,优选为0.05~10份,进一步优选为0.1~3份;
所述的单组份胶黏剂的制备方法,包含如下步骤:
将上述单组份胶黏剂的各组分搅拌混匀,得到树脂基体;然后研磨并抽真空,得到单组份胶黏剂;
所述的搅拌的速度为1500~3000r/min,优选为2000~2400r/min;
所述的单组份胶黏剂(环氧树脂固化物)的固化方法没有特别限定,可以采用例如密闭式固化炉、可连续固化的隧道炉等现有公知的固化方式;
所述的固化条件优选为:80~180℃下固化8h~10min,更优选为80~150℃下8h~20min;
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
(1)本发明中所述的双氰胺类环氧树脂固化剂结构上为双氰胺衍生物类,可溶于多种有机溶剂及混合溶剂,含多种固化基团,可快速和环氧树脂发生固化反应,降低固化温度。
(2)本发明中所述的双氰胺类环氧树脂固化剂作为潜固化剂不仅具有良好的溶解性,还可以与环氧树脂混溶,且固化温度与双氰胺相比明显降低,而且固化物(成型体)不仅具有优良的粘结性,而且力学性能好,热稳定性高,扩大了双氰胺类固化剂的应用范围。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例1双氰胺类环氧树脂固化剂的合成
(1)分别将二氰胺钠和4,4’-二氨基二苯甲烷溶于DMSO中,配成饱和DMSO溶液;在通惰性气体的环境中,将4,4’-二氨基二苯甲烷的饱和DMSO溶液缓慢滴加到二氰胺钠的饱和DMSO溶液,120℃反应6h后洗涤干燥,得到白色固体物质;
(2)将步骤(1)得到的白色固体物质溶于DMSO中,配成饱和DMSO溶液;将苯甲胺溶于DMSO中,配成饱和DMSO溶液;将苯甲胺的饱和DMSO溶液滴加到步骤(1)所得白色固体的饱和DMSO溶液中,90℃反应10h后洗涤干燥,得到双氰胺类环氧树脂固化剂固体,其结构式如式Ⅳ所示。
实施例2双氰胺类环氧树脂固化剂的合成
(1)分别将二氰胺钠和4,4’-二氨基二苯甲烷溶于DMSO中,配成饱和DMSO溶液,在通惰性气体的环境中,将4,4’-二氨基二苯甲烷的饱和DMSO溶液缓慢滴加到二氰胺钠的饱和DMSO溶液,80℃反应8h后洗涤干燥,得到白色固体物质;
(2)将步骤(1)得到的白色固体物质溶于DMSO中,配成饱和DMSO溶液,将苯甲胺溶于DMSO中,配成饱和DMSO溶液;将苯甲胺的饱和DMSO溶液滴加到步骤(1)所得白色固体的饱和DMSO溶液中,120℃反应4h后洗涤干燥,得到固体双氰胺类环氧树脂固化剂,其结构式如式Ⅳ所示。
实施例3双氰胺类环氧树脂固化剂的合成
(1)分别将二氰胺钠和4,4’-二氨基二苯甲烷溶于DMSO中,配成饱和DMSO溶液,在通惰性气体的环境中,将4,4’-二氨基二苯甲烷的饱和DMSO溶液缓慢滴加到二氰胺钠的饱和DMSO溶液,100℃反应7h后洗涤干燥,得到白色固体物质;
(2)将步骤(1)得到的白色固体物质溶于DMSO中,配成饱和DMSO溶液;将苯甲胺溶于DMSO中,配成饱和DMSO溶液;将苯甲胺的饱和DMSO溶液滴加到步骤(1)所得白色固体的饱和DMSO溶液中,100℃反应8h后洗涤干燥,得到固体双氰胺类环氧树脂固化剂,其结构式如式Ⅳ所示。
实施例4
将环氧树脂E-44、双氰胺类环氧树脂固化剂(实施例1)在搅拌机内搅拌10min混合均匀,搅拌速度为2000r/min,得到树脂基体;将得到的树脂基体于三辊研磨机内研磨并研细,随后真空抽气泡除去其中溶解的空气,得到单组份胶黏剂,其中,环氧树脂、固化剂的添加量(质量份)为80份、20份。
将制得的单组份胶黏剂于80℃下固化8h,得到成型体;和以双氰胺做固化剂得到的成型体相比,硬度更高,粘结性更好,力学性能更好,耐冲击性更优良,热稳定性提高。
实施例5
将环氧树脂E-44、双氰胺类环氧树脂固化剂(实施例1)、环氧树脂固化促进剂苄基二甲胺、环氧树脂稀释剂甲基丙烯酸缩水甘油醚、环氧树脂增韧剂2-乙基己醇、无机填料二氧化硅、环氧树脂偶联剂乙烯基三乙氧基硅烷在搅拌机内搅拌10min混合均匀,搅拌速度为2000r/min,得到树脂基体;将得到的树脂基体于三辊研磨机内研磨并研细;随后真空抽气泡除去其中溶解的气体,得到单组份胶黏剂。其中,环氧树脂E-44、双氰胺类环氧树脂固化剂、苄基二甲胺、甲基丙烯酸缩水甘油醚、2-乙基己醇、二氧化硅、乙烯基三乙氧基硅烷添加量(质量份)分别为:40份、30份、5份、7份、10份、1份、0.1份。
将制得的单组份胶黏剂放在80℃下固化8h,得到成型体;和以双氰胺做固化剂得到的成型体相比,硬度更高,粘结性更好,力学性能更好,耐冲击性更优良,热稳定性更高。
实施例6
将环氧树脂E-44、双氰胺类环氧树脂固化剂(实施例1)、环氧树脂固化促进剂2-甲基咪唑,环氧树脂稀释剂烯丙基缩水甘油醚,环氧树脂增韧剂聚丙二醇、无机填料炭黑、环氧树脂偶联剂乙烯基三甲氧基硅烷在搅拌机内搅拌10min混合均匀,搅拌速度为2400r/min,得到树脂基体;将得到的树脂基体用三辊研磨机研磨并研细;随后真空抽气泡除去其中溶解的气体,得到单组份胶黏剂。其中,环氧树脂E-44、双氰胺类环氧树脂固化剂、2-甲基咪唑、烯丙基缩水甘油醚、聚丙二醇、炭黑、乙烯基三甲氧基硅烷的添加量(质量份)分别为:70份、25份、13份、15份、30份、15份、3份。
将制得的单组份胶黏剂在150℃下固化20min,得到成型体;和以双氰胺作为固化剂得到的成型体相比,硬度更高,粘结性更好,力学性能更好,耐冲击性更优良,热稳定性更高。
实施例7
将环氧树脂E-44、双氰胺类环氧树脂固化剂(实施例1)、环氧树脂固化促进剂三苯基膦、环氧树脂稀释剂二缩水甘油苯胺、环氧树脂增韧剂端羧基丁基腈橡胶、无机填料石棉、环氧树脂偶联剂γ―氨丙基三甲氧基硅烷在搅拌机内搅拌10min混合均匀,搅拌速度为2200r/min,得到树脂基体;将得到的树脂基体用三辊研磨机研磨并研细;随后真空抽气泡除去其中溶解的气体,得到单组份胶黏剂。其中,环氧树脂E-44、双氰胺类环氧树脂固化剂、三苯基膦、二缩水甘油苯胺、端羧基丁基腈橡胶、石棉、γ―氨丙基三甲氧基硅烷的添加量(质量份)分别为:60份、27份、10份、10份、30份、10份、1份。
将制得的单组份胶黏剂在120℃下固化2h得到成型体,和以双氰胺做固化剂得到的成型体相比,硬度更高,粘结性更好,力学性能更好,耐冲击性更优良,热稳定性更高。
实施例8
将环氧树脂E-44、双氰胺类环氧树脂固化剂(实施例1)、环氧树脂酸酐类固化剂甲基六氢苯酐、环氧树脂固化促进剂N-(2-羟基苯基)-N’,N’-二甲基脲、环氧树脂稀释剂甲苯、环氧树脂增韧剂聚硫橡胶、填料有机磷酸酯、环氧树脂偶联剂3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷置于搅拌机内搅拌10min混合均匀,搅拌速度为2000r/min,得到树脂基体;将得到的树脂基体用三辊研磨机研磨并研细;随后真空抽气泡除去其中溶解的气体,得到单组份环氧胶黏剂。其中,环氧树脂E-44、双氰胺类环氧树脂固化剂、甲基六氢苯酐,N-(2-羟基苯基)-N’,N’-二甲基脲、甲苯、聚硫橡胶、有机磷酸酯、3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷的添加量(质量份)分别为:80份、20份、10份、13份、15份、30份、15份、3份。
将制得的单组份胶黏剂在120℃下固化2h得到成型体,和以双氰胺做固化剂得到的成型体相比,硬度更高,粘结性更好,力学性能更好,耐冲击性更优良,热稳定性更高。
对比实施例1
将环氧树脂E-44,双氰胺在搅拌机内搅拌10min混合均匀,搅拌速度设定为2000r/min,得到树脂基体;将得到的树脂基体于三辊研磨机研磨并研细;随后真空抽气除去其中溶解的气体,得到单组份环氧树脂胶黏剂。环氧树脂、双氰胺的添加量(质量份)分别为90份,10份。
对比实施例2
将环氧树脂E-44、双氰胺、固化促进剂苄基二甲胺、稀释剂甲基丙烯酸缩水甘油醚、增韧剂2-乙基己醇、无机填料二氧化硅和偶联剂乙烯基三乙氧基硅烷在搅拌机内搅拌10min混合均匀,搅拌速度为2200r/min,得到树脂基体;将得到的树脂基体用三辊研磨机研磨,将填料研细;随后真空抽气泡除去其中溶解的气体,得到单组份胶黏剂。其中,环氧树脂E-44、双氰胺、固化促进剂、稀释剂、增韧剂、无机填充材料、偶联剂的添加量(质量份)分别为:90份、10份、5份、7份、10份、1份、0.1份。
对比实施例3
将环氧树脂E-44、双氰胺、环氧树脂酸酐类固化剂甲基六氢苯酐、环氧树脂固化促进剂N-(2-羟基苯基)-N’,N’-二甲基脲、环氧树脂稀释剂甲苯、环氧树脂增韧剂聚硫橡胶、填料有机磷酸酯和偶联剂3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷置于搅拌机内搅拌10min混合均匀,搅拌速度为2400r/min,得到树脂基体;将得到的树脂基体用三辊研磨机研磨并研细;随后真空抽气泡除去其中溶解的气体,得到单组份环氧胶黏剂。其中,环氧树脂E-44、双氰胺、甲基六氢苯酐、促进剂、稀释剂、增韧剂、无机填充材料、偶联剂的添加量(质量份)分别为:90份、25份、10份、13份、15份、30份、15份、3份。
效果实施例
(1)溶解性测试是T=25℃,1atm下根据高效液相色谱(HPLC)测得;
(2)剪切强度:按照GB/T7124-1986标准,采用电子拉力计进行测定,被粘物铁板基材的尺寸为100mm×25mm×2mm,施胶面积为12.5mm×25mm,加载速率为5mm/min,室温测定;
(3)固化时间:从以样品自流动状态至完全固化的时间作为衡量标准;
(4)断裂伸长率:按照GB/T2568-1995标准进行测定;
结果见表1和表2,表1表明含有双氰胺类环氧树脂固化剂的单组份胶黏剂相比双氰胺固化剂不仅固化温度大大降低,所得固化物的力学性能也有显著提升;表2可知,制备得到的双氰胺类固化剂有良好的溶解性,不仅可溶于多种有机溶剂及其混合溶剂,和环氧树脂也有良好的相容性。
综述所述,式Ⅳ所示化合物作为环氧树脂固化剂不仅和环氧树脂相容性好,而且固化温度低,固化时间短,固化物具有良好的粘结性,热稳定性以及力学强度。
表1各实施例制备得到的固化剂以及单组份胶黏剂性能测试结果分析
表2本发明中双氰胺类环氧树脂固化剂的溶解性测试结果分析
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。