CN1191293C - 在单罐装环氧组合物中作为酸酐固化剂的促进剂的2－苯基咪唑磷酸二氢盐 - Google Patents

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Abstract

一种可热固化、单罐装环氧、保护或装饰涂料或者粘合剂组合物，它包含环氧树脂、酸酐热活化潜固化剂和该酸酐固化剂的促进剂，其特征在于，该促进剂是2-苯基咪唑磷酸二氢盐。

Description

在单罐装环氧组合物中作为 酸酐固化剂的促进剂的2-苯基咪唑磷酸二氢盐
发明背景
本发明涉及环氧树脂，尤其是单罐装环氧组合物所使用的潜固化剂和促进剂。“潜”固化剂是这样的固化剂，它在配制的体系中，当处于正常环境条件时保持惰性，但当温度提高时便很快与环氧树脂起反应。“促进剂”是能加速环氧树脂与固化剂之间反应的材料。典型的“单罐装”环氧组合物是由环氧树脂、固化剂和促进剂乃至各种添加剂和填料组成的共混物。
目前的单罐装环氧组合物可包含酸酐作为潜固化剂。这样的组合物提供优异的贮存期限，然而却需要非常高的温度才能固化。咪唑之类的促进剂，虽然可以与酸酐共用以增加反应性，然而，此种促进剂对组合物的贮存稳定性具有负面影响。
目前，需要一种用酸酐实现固化，并提供低温固化与贮存稳定性之间良好平衡的单罐装100％固体环氧组合物。
美国专利3,329,652公开一种采用咪唑盐作为酸酐的活化剂的用酸酐来固化多环氧化物的方法。
美国专利3,356,645和3,418,333公开一种用咪唑盐来固化多环氧化物的方法。
美国专利3,746,686公开一种可固化的环氧树脂组合物，它包含多环氧化物和一种由多羧酸或酸酐与咪唑生成的盐。
美国专利3,755,253公开一种用咪唑盐催化多环氧化物的二氨基二苯砜固化方法。
T.Kamon等人，“环氧树脂的固化，VI，用咪唑的酸盐固化环氧树脂”，Shikizai Kyokaishi(1977)，50(1)，pp.2～7，公开用某些咪唑的烷基羧酸和磷酸盐固化环氧树脂的研究。
日本专利58083023描述一种潜环氧硬化剂，它是通过将2-十七烷基咪唑啉加入到水中，加入正磷酸，混合10分钟，过滤并真空干燥而制成的。
“粘合剂领域的环氧分散体”，《粘合剂时代》，1995-05，pp.34～37，公开2-甲基咪唑和双氰胺在水性环氧组合物中的应用。
发明概述
本发明涉及2-苯基咪唑磷酸盐，及其在单罐装可热固化环氧组合物中作为酸酐潜固化剂的促进剂的应用。该盐是2-苯基咪唑与磷酸的反应产物。
2-苯基咪唑与磷酸尤其以等摩尔量进行反应生成下列结构A的磷酸二氢盐或磷酸氢盐，
本发明提供：
-在热固化环氧组合物中作为酸酐潜固化剂的促进剂；和
-提供低温固化与长期贮存稳定性之间优良平衡、包含2-苯基咪唑-磷酸盐、酸酐和环氧树脂的单罐装100％固体环氧组合物。
附图简述
图1是在实例8的酸酐固化的环氧组合物中作为促进剂的2-苯基咪唑磷酸盐的差示扫描量热图。
图2是在实例9的酸酐固化的环氧组合物中作为促进剂的1-甲基咪唑磷酸盐的差示扫描量热图。
图3是在实例10的酸酐固化的环氧组合物中作为促进剂的2-甲基咪唑磷酸盐的差示扫描量热图。
图4是在实例11的酸酐固化的环氧组合物中作为促进剂的咪唑磷酸盐的差示扫描量热图。
图5是在实例12的酸酐固化的环氧组合物中作为促进剂的4-甲基咪唑磷酸盐的差示扫描量热图。
图6是在实例13的酸酐固化的环氧组合物中作为促进剂的2-乙基咪唑磷酸盐的差示扫描量热图。
图7是在实例14的酸酐固化的环氧组合物中作为促进剂的2-乙基-4-甲基咪唑磷酸盐的差示扫描量热图。
发明详述
本发明涉及2-苯基咪唑的磷酸盐及其作为酸酐的促进剂在环氧树脂固化中的应用。(磷酸亦称作正磷酸，通常以85％磷酸的形式供应。)具有结构A的盐是一碱价盐，通过1mol 2-苯基咪唑与1mol磷酸按下列反应式进行反应生成：
在该磷酸盐的合成中采用的化学计量比可以是任何组合，例如0.1mol～5.0mol 2-苯基咪唑与0.1mol～大于5.0mol磷酸。一般而言，2-苯基咪唑与磷酸按照0.9～1.1的摩尔比，优选0.95～1的摩尔比进行反应。就典型而言采用市售供应的85％正磷酸，然而任何浓度均可用于本发明。该反应可在有或没有溶剂的存在下进行。溶剂可以是但不限于，水、甲醇、乙醇、THF(四氢呋喃)等。任何能溶解反应物之一或产物的溶剂均可使用。任何加入顺序均可采用，并且反应可在任何要求的温度或压力下进行，因为这些因素对于盐的制备均不是关键。优选的合成方法是，将2-苯基咪唑溶解在甲醇中，然后向咪唑溶液中慢慢加入正磷酸。生产的沉淀盐经过滤收集，用甲醇洗涤，然后风干。
该2-苯基咪唑/磷酸盐可作为酸酐潜固化剂的促进剂，用于单罐装环氧粘合剂，装饰和保护涂料，包括粉末涂料，长丝缠绕件，印刷电路板之类的环氧用途。
在本发明中适合用作环氧树脂潜固化剂的酸酐是环氧技术中已知的那些固化剂材料，例如美国专利3,329,652栏2/28-71中所公开的那些固化剂，该专利并入本文作为参考。优选的酸酐包括脂族、环脂族和芳族的一元或二元酸酐。尤其优选的是通常是液体或低溶点的酸酐，如Nadic methyl酸酐(甲基双环[2.2.1]庚烯-2，3-二羧酸酐异构体)、四氢邻苯二甲酸酐、甲基四氢邻苯二甲酸酐、六氢邻苯二甲酸酐和甲基六氢邻苯二甲酸酐。典型地每100重量份环氧树脂中使用75～90重量份(pbw)酸酐，优选使用80～85重量份酸酐。
该2-苯基咪唑-磷酸盐促进剂及酸酐潜固化剂与一种环氧树脂合并，该环氧树脂是每分子中含有1个以上1，2-环氧基团的多环氧化合物。此种环氧化物在环氧技术领域中是熟知的，可参见Y.Tanaka，“环氧化物的合成及特性”，在C.A.May主编的《环氧树脂化学与技术》(Marcel Dekker，1988)中。例子包括美国专利5,599,855(5/6～6/20栏)中公开的那些环氧化物，在此将该文献收作参考。优选的多环氧化合物是双酚A的二缩水甘油基醚、双酚A的高级二缩水甘油基醚、双酚F的二缩水甘油基醚以及环氧-线型酚醛树脂。液态环氧树脂和固态环氧树脂都适合用于该单罐装环氧组合物。粉末涂料组合物包含固态环氧树脂、2-苯基咪唑磷酸盐和酸酐。
一般使用加速环氧树脂固化所需有效数量的2-苯基咪唑磷酸盐。作为酸酐固化剂的促进剂，每100pbw环氧树脂通常使用0.05～10重量份(pbw)磷酸盐。
由2-苯基咪唑磷酸盐、酸酐和环氧树脂制备的组合物可与涂料配制技术专业技术人员熟知的各种各样成分调配在一起，其中包括溶剂、填料、颜料、颜料分散剂、流变改进剂、触变胶、流动和流平助剂、消泡剂之类。可以使用包含大约1～90wt％有机溶剂或100％固体的环氧组合物。
本发明的单罐装环氧组合物可作为涂料采用各种技术，包括喷涂、刷涂、辊涂、涂漆手套等进行施涂。多种多样的基材经过适当表面准备后便适合用于本发明涂料的施涂，这是本领域中所熟知的。此类基材包括但不限于，多种类型的金属、特别是钢和铝，以及混凝土。
本发明的单罐装环氧涂料组合物可进行施涂，然后在约125℃～约240℃的高温进行固化，优选150℃～190℃的固化温度。
实例1～7
以下的实例展示由2-苯基咪唑(2-PI)、1-甲基咪唑(1-MI)、2-甲基咪唑(2-MI)、咪唑(IM)、4-甲基咪唑(4-MI)、2-乙基咪唑(2-EI)和2-乙基-4-甲基咪唑(24-EMI)与85％磷酸按1∶1摩尔比制备咪唑磷酸盐的过程。制备该咪唑磷酸盐采用的程序如下：
向250mL备有磁性搅拌子、热电偶、冷凝器和滴液漏斗的三颈圆底烧瓶中加入100mL甲醇和适量要求的取代咪唑，例如36.0g(0.25mol)2-苯基咪唑(2-PI)。咪唑完全溶解以后，在15分钟的时间内滴加85％磷酸。加毕后，所生成的淤浆进行15分钟的混合。用布氏漏斗过滤分离出固体产物，用50mL新鲜甲醇洗涤，然后在空气中干燥。所回收的咪唑磷酸盐的量是理论产率的99％。
反应物的量、咪唑磷酸盐收率及其按照差示扫描量热法(DSC)测定的熔点，以及每种制备物的5％溶液的pH，列于表1中：
                                 表1
  实例   咪唑  (g) 85％H3PO4(g)   咪唑盐(g)     熔点(℃) 5％水溶液的pH
  1   36.0(2-PI) 28.8   56.5     245 4.9
  2   20.5(1-MI) 28.8   43.9     121 4.7
  3   20.5(2-MI) 28.8   44.0     162 5.2
  4   17.3(IM) 28.8   41.5     109 4.5
  5   20.5(4-MI) 28.8   39.6     112 4.6
  6   24.0(2-EI) 28.8   41.7     144 4.8
  7   27.5(24-EMI) 28.8   53.6     173 4.6
实例8～14
这些100％固体的环氧体系实例展示作为酸酐固化环氧树脂组合物的促进剂的咪唑磷酸盐。将下列各成分充分混合制备了各组合物：
Epon 828                100.0g
甲基六氢邻苯二甲酸酐    90.0g
咪唑磷酸盐              0.5g
这些咪唑磷酸盐的名称如下：
2-苯基咪唑磷酸盐(2-PIP)
1-甲基咪唑磷酸盐(1-MIP)
2-甲基咪唑磷酸盐(2-MIP)
咪唑磷酸盐(IMP)
4-甲基咪唑磷酸盐(4-MIP)
2-乙基咪唑磷酸盐(2-EIP)
2-乙基-4-甲基咪唑磷酸盐(24-EMIP)
用DSC法测试这些组合物以测定反应的开始温度和所得到的峰值温度或最高温度。将5～10mg实例8-14的组合物放入DSC盘中并加以密封。以10℃/分钟的加热速率从室温到350℃进行DSC分析。一旦反应开始后，开始温度(To)和峰值温度(Tp)之差就是该反应宽度或速度的一种度量。开始温度与峰值温度之差越小，固化将在该开始温度或其附近进行得越快，且更理想。表2数据和图1-7清楚地表明与其它咪唑磷酸盐相比，2-PIP促进剂在开始温度显示出令人惊奇的小的(Tp-To)值，即意想不到的快速固化。
                         表2
    实例     To(℃)     Tp(℃)     (Tp-To)(℃)
    8(2-PIP)     179     193     14
    9(1-MIP)     174     223     49
    10(2-MIP)     165     208     43
    11(IMP)     171     214     43
    12(4-MIP)     176     209     33
    13(2-EIP)     162     186     24
    14(24-EMIP)     164     203     39
2-苯基咪唑的磷酸盐可作为酸酐的固化促进剂，用在100％固体的环氧组合物中，例如环氧粘合剂、涂料，包括粉末涂料、长丝缠绕件、印刷电路板之类的用途中。此种盐直至它遇到高温才离解。因此，该盐给100％固体单罐装环氧组合物提供优良的贮存稳定性。
工业应用说明
本发明提供在单罐装100％固体环氧组合物中作为酸酐固化剂的促进剂的2-苯基咪唑磷酸盐。

Claims (15)

1.一种包含环氧树脂、酸酐热活化潜固化剂和该酸酐固化剂的促进剂的可热固化单罐装环氧组合物，其改进之处包括以2-苯基咪唑的磷酸二氢盐作为促进剂，其中在环氧组合物中使用75-90重量份酸酐/100重量份环氧树脂，使用0.05-10重量份2-苯基咪唑的磷酸二氢盐/100重量份环氧树脂。
2.权利要求1的环氧组合物，其中该2-苯基咪唑的磷酸二氢盐是通过2-苯基咪唑与磷酸按0.9～1.1的摩尔比进行反应而制备的。
3.权利要求1的环氧组合物，其中该2-苯基咪唑的磷酸二氢盐是通过2-苯基咪唑与磷酸按1∶1的摩尔比进行反应而制备的。
4.权利要求1的环氧组合物，其中该酸酐是脂族、环脂族、芳族一元酸酐或二元酸酐。
5.权利要求1的环氧组合物，其中该酸酐是甲基双环[2.2.1]庚烯-2，3-二羧酸酐异构体、四氢邻苯二甲酸酐、甲基四氢邻苯二甲酸酐、六氢邻苯二甲酸酐或甲基六氢邻苯二甲酸酐。
6.权利要求5的环氧组合物，其中该酸酐是六氢邻苯二甲酸酐或甲基六氢邻苯二甲酸酐。
7.权利要求1的环氧组合物，其中该环氧树脂是双酚A的二缩水甘油基醚、双酚A的高级二缩水甘油基醚、双酚F的二缩水甘油基醚或环氧-线型酚醛树脂。
8.权利要求1的环氧组合物，其中该环氧树脂是双酚A的二缩水甘油基醚或双酚F的二缩水甘油基醚。
9.权利要求1的环氧组合物，其中该2-苯基咪唑的磷酸二氢盐在每100重量份环氧树脂中的含量为0.05重量份。
10.一种可热固化的单罐装环氧组合物，其中包含双酚A的二缩水甘油基醚或双酚F的二缩水甘油基醚、六氢邻苯二甲酸酐或甲基六氢邻苯二甲酸酐热活化潜固化剂，和作为酸酐固化剂的促进剂的2-苯基咪唑的磷酸二氢盐，其中在环氧组合物中使用75-90重量份酸酐/100重量份环氧树脂，使用0.05-10重量份2-苯基咪唑的磷酸二氢盐/100重量份环氧树脂。
11.权利要求10的环氧组合物，其中该2-苯基咪唑的磷酸二氢盐是通过2-苯基咪唑与磷酸按0.9～1.1的摩尔比进行反应而制备的。
12.权利要求10的环氧组合物，其中该2-苯基咪唑的磷酸二氢盐是通过2-苯基咪唑与磷酸按1∶1的摩尔比进行反应而制备的。
13.一种可热固化单罐装环氧组合物，其中包含100重量份环氧树脂、75～90重量份热活化潜固化剂和0.05～10重量份2-苯基咪唑的磷酸二氢盐，其中所述环氧树脂是双酚A的二缩水甘油基醚或双酚F的二缩水甘油基醚，所述热活化潜固化剂是六氢邻苯二甲酸酐或甲基六氢邻苯二甲酸酐。
14.权利要求13的环氧组合物，其中该环氧树脂是双酚A的二缩水甘油基醚，所述热活化潜固化剂是甲基六氢邻苯二甲酸酐。
15.2-苯基咪唑的磷酸二氢盐。
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