TWI729913B - 耐衝擊環氧樹脂組成物、耐衝擊膜、及包含其的壓力瓶 - Google Patents

耐衝擊環氧樹脂組成物、耐衝擊膜、及包含其的壓力瓶 Download PDF

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Abstract

本創作提供一種耐衝擊環氧樹脂組成物，其包含一環氧樹脂和一固化劑；其中，該環氧樹脂包括聚氨酯改性環氧樹脂、聚碳酸酯改性環氧樹脂、有機矽改性環氧樹脂或其組合；該環氧樹脂的玻璃轉化溫度為80°C至120°C。所述耐衝擊環氧樹脂組成物可採用簡單的製程製得具有良好的耐衝擊能力的耐衝擊膜，當所述耐衝擊膜包覆於儲存氣體的壓力瓶時，可提升該壓力瓶的運輸和儲存之安全性。

Description

耐衝擊環氧樹脂組成物、耐衝擊膜、及包含其的壓力瓶
本創作關於一種環氧樹脂組成物、由該環氧樹脂組成物形成的耐衝擊膜，尤指一種包覆於容器表面的耐衝擊膜，以及包含所述耐衝擊膜的壓力瓶。
目前主要的交通運輸工具是使用石油、煤炭等傳統化石能源。為了日常生活的便利性，交通運輸工具的使用量大幅成長，卻也伴隨了環境問題的產生。例如，汽車的內燃機在高溫燃燒及燃燒不完全的情況下所排放出的碳氫化合物（HC）、氮氧化合物（NOx）、一氧化碳（CO）及二氧化碳（CO 2）等廢氣增加溫室效應導致全球暖化，且燃燒後產生的超細懸浮微粒（PM2.5）使得空氣品質下降，同時會危害人體健康。
由於環保意識抬頭，電動車和氫燃料電池車成為相當具有發展潛力的未來趨勢。相較於電動車充電時間長、續航距離短的缺點，氫燃料電池雖然成本較高、加氫站更少，但使用方式卻更接近傳統內燃機汽車使用者的習慣；尤其是在需要長途行駛的大型客車、貨車等重車，氫燃料電池車的開發仍然方興未艾。在氫燃料電池中，氫氣做為燃料供應給燃料電池的陽極，但因為氫氣本身具有易燃、易爆炸等特性，因此如何讓儲存氫氣的壓力瓶變得更安全、增進氫氣燃料的運輸安全性和儲存安全性成為研究熱點之一。
一般而言，儲存氫氣的壓力瓶係由金屬或碳纖維形成瓶壁，而瓶壁的外表面包覆有一耐衝擊膜。所述耐衝擊膜的主成份為丁腈橡膠（nitrile butadiene rubber，NBR）等；其可藉由射出成型法先形成一耐衝擊膜再黏附至瓶壁的外表面；由於前述耐衝擊膜層已具有固定之平面形狀，較難直接貼附至整個立體瓶壁，故須分段進行包覆瓶壁的製程。
射出成型是將樹脂組成物（一般先做成塑膠粒料）在射出成型機的料筒內加熱熔化，當塑膠粒料受熱呈流動狀態時，加壓使熔融態的樹脂組成物被壓縮並快速向前注入溫度較低的閉合模具內，經過一定時間冷卻定型後，再開啟模具即得耐衝擊膜。然而，為因應各種壓力瓶的尺寸，製程上需要先齊備不同尺寸的模具，導致製造成本大幅提高。另外，若射出溫度控制不當，還可能導致耐衝擊膜出現脆化、切面厚度不均的現象，進而弱化所述耐衝擊膜的耐衝擊性；簡言之，此種生產方式不僅增加耐衝擊膜的生產成本，還可能難以得到具有足夠保護能力的耐衝擊膜。
有鑑於上述現有的耐衝擊膜的製程存在之技術缺陷，本創作之目的在於提供一種耐衝擊環氧樹脂組成物，其製得的耐衝擊膜具有良好的耐衝擊能力。
本創作之另一目的在於提供一種耐衝擊環氧樹脂組成物，其可採用簡單的製程，有利於大量生產，更具商業實施的潛力。
為達成前述目的，本創作提供一種耐衝擊環氧樹脂組成物，其包含一環氧樹脂和一固化劑；其中，該環氧樹脂包括聚氨酯改性環氧樹脂、聚碳酸酯改性環氧樹脂、有機矽改性環氧樹脂或其組合；該環氧樹脂的玻璃轉化溫度（glass transition temperature，Tg）為80°C至120°C。
依據本創作，所述耐衝擊環氧樹脂組成物藉由包含軟質性環氧樹脂（即聚氨酯改性環氧樹脂、聚碳酸酯改性環氧樹脂、或有機矽改性環氧樹脂等）且控制所述環氧樹脂的玻璃轉化溫度在適當的範圍，使得所述耐衝擊環氧樹脂組成物可採用兩階段固化法製得耐衝擊膜：首先，將所述耐衝擊環氧樹脂組成物塗佈於一離型膜（release film）上，進行第一階段固化步驟，讓所述耐衝擊環氧樹脂組成物先形成凝膠狀的半固化態（B-stage）薄膜；將不流動的前述半固化態薄膜貼附於壓力瓶瓶壁的外表面，其可良好地與所述瓶壁接著；接著再進行第二階段固化步驟，使所述半固化態薄膜完全固化（又稱為C-stage），最後得到耐衝擊膜。由於所述耐衝擊環氧樹脂組成物先形成半固化態薄膜，因此可避免採用單一階段直接固化時，液態之環氧樹脂組成物發生流動現象，最後使得所形成的耐衝擊膜厚度不均的狀況，也可避免因所述耐衝擊環氧樹脂組成物中各成分因比重不同發生分層，使得最後所形成之耐衝擊膜的成分分布不均而導致機械強度不足的問題。
依據本創作，該環氧樹脂係使熱塑性聚氨酯（thermoplastic polyurethane，TPU）、聚碳酸酯（polycarbonate）、或聚矽氧烷等有機矽改性添加物的反應性末端基與環氧樹脂的環氧基進行反應，進而分別得到骨架上具有-NHCO-鏈段的聚氨酯改性環氧樹脂、骨架上具有-O(C 6H 4)C(CH 3) 2(C 6H 4)OC(=O)-鏈段的聚碳酸酯改性環氧樹脂、骨架上具有-Si-O-Si-鏈段的有機矽改性環氧樹脂。通過熱塑性聚氨酯、聚碳酸酯、聚矽氧烷等改性添加物提供柔性鏈段，使得所述環氧樹脂可具有更佳的韌性、和/或耐衝擊性。
在一些實施例中，所述耐衝擊環氧樹脂組成物可同時包含不同種類的環氧樹脂。舉例而言，所述耐衝擊環氧樹脂組成物可同時包含聚氨酯改性環氧樹脂和有機矽改性環氧樹脂，但不限於此。
依據本創作，該環氧樹脂的重量平均分子量（weight-average molecular weight，Mw）並無特別限制；較佳的，該環氧樹脂的重量平均分子量為600至1,200；更佳的，該環氧樹脂的重量平均分子量為670至1150。在一些實施例中，所述耐衝擊環氧樹脂組成物可同時包含兩種以上不同重量平均分子量的環氧樹脂，使所形成的耐衝擊膜能具有更高可撓性。
較佳的，該環氧樹脂的環氧當量（epoxide equivalent weight，EEW）為200克/當量至400克/當量。
較佳的，該環氧樹脂和該固化劑的重量比為100：20至100：75。更佳的，該環氧樹脂和該固化劑的重量比為100：30至100：60。
依據本創作，該固化劑並沒有特別限制；較佳的，該固化劑包括異氰酸酯類固化劑、胺系固化劑、酸酐類固化劑或其組合。在一些實施例中，所述耐衝擊環氧樹脂組成物可同時包含不同種類的固化劑，例如兩種不同的異氰酸酯類固化劑的組合、兩種不同的胺系固化劑的組合、或是包含一異氰酸酯類固化劑和一胺系固化劑的組合，但不限於此。
具體而言，所述異氰酸酯類固化劑可為多異氰酸酯、其組合物、或其低聚物，所述多異氰酸酯包含二異氰酸酯或三異氰酸酯，但不限於此。所述異氰酸酯類固化劑可為脂肪族多異氰酸酯或芳香族多異氰酸酯。舉例而言，該脂肪族多異氰酸酯可為1,6-六亞甲基二異氰酸酯（1,6-hexamethylene diisocyanate，HDI）、環己烷-1,4-二異氰酸酯（cyclohex-1,4-ylene diisocyanate）、或異佛爾酮二異氰酸酯（5-isocyanato-1-(isocyanatomethyl)-1,3,3-trimethylcyclohexane，IPDI），但不限於此；該芳香族多異氰酸酯可為2,4-甲苯二異氰酸酯（2,4-toluene diisocyanate，2,4-TDI）、或4,4’-二苯基甲烷二異氰酸酯（4,4’-diphenylmethane diisocyanate，4,4’-MDI），但不限於此。
具體而言，所述胺系硬化劑可為脂肪族多胺、芳香族多胺、低分子量聚醯胺等，但不限於此。
具體而言，所述酸酐類固化劑可為鄰苯二甲酸酐、甲基四氫鄰苯二甲酸酐（MTHPA）、苯酮四羧酸二酐等，但不限於此。
在不影響本創作效果的範圍內，所述耐衝擊環氧樹脂組成物還可依需求適當添加增韌劑、填料、色料等助劑，但不限於此。具體而言，添加增韌劑、填料可更進一步提高所述耐衝擊環氧樹脂組成物製得的耐衝擊膜之機械性質；或者，若添加空心球之類的填料則可增加所述耐衝擊環氧樹脂組成物製得的耐衝擊膜之隔熱性能；另外，色料可配合使用需求，使所述耐衝擊環氧樹脂組成物形成的耐衝擊膜呈現消費者想要的色彩。
本創作另提供一種耐衝擊膜，其係由前述耐衝擊環氧樹脂組成物所形成。較佳的，所述耐衝擊膜係由前述耐衝擊環氧樹脂組成物經由兩階段固化法所形成。
較佳的，所述耐衝擊膜的厚度為2.0毫米（mm）至10.0 mm，更佳的，所述耐衝擊膜的厚度為5.0 mm至6.0 mm。
較佳的，所述耐衝擊膜的蕭氏硬度（Shore hardness）為40 A至80 A，更佳的，所述耐衝擊膜的蕭氏硬度為45 A至75 A。
在一些實施例中，可將所述耐衝擊環氧樹脂組成物塗佈於一離型膜上，進行所述第一階段固化步驟，使得所述耐衝擊環氧樹脂組成物先形成半固化態薄膜；所述離型膜的材質可為聚乙烯（polyethene，PE），但不限於此；另外可預先於離型膜的一表面上噴塗商標、文字等設計，再將所述耐衝擊環氧樹脂組成物塗佈於所述離型膜的該表面上；當所述耐衝擊環氧樹脂組成物在進行半固化步驟（即兩階段固化法中的第一階段固化步驟）或完全固化步驟（即兩階段固化法中的第二階段固化步驟，或是直接固化法）時，包含商標、文字等設計的離型膜可將前述商標或文字轉印至形成的耐衝擊膜與離型膜接觸的表面上。
依據本創作，所述使所述耐衝擊環氧樹脂組成物固化的方式可為紫外線照射（UV irradiation）、紅外線照射（IR irradiation）、熱風固化等方式，但不限於此。
本創作另提供一種壓力瓶，其包括一瓶壁和一前述之耐衝擊膜；該瓶壁圍繞出一容置空間；該耐衝擊膜形成於該瓶壁上。
較佳的，該瓶壁包含碳纖維、金屬、玻璃纖維或其組合，但不限於此。
在一些實施例中，壓力瓶還包括一可協助瓶內氣體流通或導出的元件，舉例而言，所述元件可為一減壓閥、一噴嘴、一導管等，但不限於此。
具體而言，所述壓力瓶可具有圓柱形或任何需要的形狀。
依據本創作，所述壓力瓶可應用於容納氫氣、氧氣等氣體，亦可應用於容納由氣體壓縮而成的液體，但不限於此。
以下列舉一實施例及比較例說明本創作之實施方式，熟習此技藝者可經由本說明書之內容輕易地了解本創作所能達成之優點與功效，並且於不悖離本創作之精神下進行各種修飾與變更，以施行或應用本創作之內容。
實施例 1 ：
《耐衝擊環氧樹脂組成物》
首先，將100重量份的有機矽改性環氧樹脂放入於一容器中；其中，所述有機矽改性環氧樹脂的玻璃轉化溫度約為90°C、重量平均分子量約為800、環氧當量約為240克/當量；接著，加入50重量份的胺系固化劑和適量之平均粒徑為80微米的陶瓷空心球，持續攪拌直到形成一均勻混合的溶液，即形成所述耐衝擊環氧樹脂組成物。所述耐衝擊環氧樹脂組成物的黏度約為2000厘泊（cps）。
《耐衝擊膜》
將實施例1的耐衝擊環氧樹脂組成物塗佈於一聚乙烯離型膜上形成一塗層，先以50°C至60°C的溫度烘烤所述塗層10分鐘至30分鐘，使之形成一半固化態薄膜；接著，將前述半固化態薄膜再以60°C至90°C的溫度烘烤20分鐘至120分鐘，使其完全固化，即可得到一耐衝擊膜；其中，該耐衝擊膜的平均厚度約為5.0 mm，蕭氏硬度約為60 A至80 A。
《壓力瓶》
首先，齊備一圓柱形的容器，所述容器的側壁包含碳纖維，所述側壁圍繞出一容置空間。其次，將實施例1的耐衝擊環氧樹脂組成物塗佈於一聚乙烯離型膜上形成一塗層，先以60°C烘烤所述塗層15分鐘，使之形成一半固化態薄膜；接著，將該半固化態薄膜貼附於該圓柱形容器的側壁上，以形成一複合結構。隨後，將該複合結構置於60°C的烘箱中加熱30分鐘，使該複合結構中的半固化態薄膜完全固化，得到一壓力瓶1。請參閱圖1和圖2，壓力瓶1包括一瓶壁10和一耐衝擊膜20；該瓶壁10圍繞出一容置空間30，且該瓶壁10即為前述容器的側壁，該耐衝擊膜20形成於該瓶壁10上。
比較例 1 ：
所述比較例1的耐衝擊膜係通過與實施例1之耐衝擊膜相似的方法製備，主要差別在於製備比較例1的耐衝擊膜之樹脂組成物不同。比較例1使用的環氧樹脂組成物為100重量份的雙酚A環氧樹脂（商品型號為DER331）、90重量份的甲基四氫鄰苯二甲酸酐、和2重量份的二甲基芐胺之促進劑（BDMA）。
《耐衝擊膜之特性分析》
由如下所述之試驗方法依序分析由實施例1之耐衝擊環氧樹脂組成物所形成的耐衝擊膜和比較例1之耐衝擊膜。為確保特性分析的實驗意義，各耐衝擊膜係由相同的試驗方法進行分析。由此可見，各耐衝擊膜之間的主要特性差異係源自於樹脂組成物的成份差異所致。
試驗例 1 ：阻尼性能分析 （ Damping test ）
依阻尼標準試驗法分別量測實施例1和比較例1之耐衝擊膜的阻尼性能，其分析結果如圖3所示。
實驗結果討論
由圖3所示之阻尼性能分析結果明顯可知，實施例1之耐衝擊膜在30°C至120°C的常規使用溫度區域中有較高且較廣的tanδ，表示實施例1之耐衝擊膜能在一般的使用溫度下具有更優異的減震效果，據此可證，使用本創作之耐衝擊環氧樹脂組成物確實可使所製得之耐衝擊膜獲得良好的耐衝擊能力。因此，本創作之耐衝擊膜也必然可提供包含其的壓力瓶足夠的保護性，進而保證所述壓力瓶於容納氫氣應用於氫燃料電池時，能具有更高的運輸安全性和儲存安全性。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，惟該實施方式並非用以限定本創作之申請專利範圍；舉凡其他未悖離本創作揭示內容下所完成的變化、修飾等變更，均應包含於本創作涵蓋的專利範圍中。
1:壓力瓶 10:瓶壁 20:耐衝擊膜 30:容置空間
圖1為本創作之壓力瓶1的立體示意圖； 圖2為本創作之壓力瓶1的正視剖面示意圖； 圖3為實施例1和比較例1之耐衝擊膜的阻尼性能分析圖。
無。
1:壓力瓶
10:瓶壁
20:耐衝擊膜
30:容置空間

Claims (11)

  1. 一種耐衝擊環氧樹脂組成物，其包含一環氧樹脂和一固化劑；其中，該環氧樹脂包括聚碳酸酯改性環氧樹脂、有機矽改性環氧樹脂或其組合；該環氧樹脂的玻璃轉化溫度為80℃至120℃。
  2. 如請求項1所述之耐衝擊環氧樹脂組成物，其中，該環氧樹脂的重量平均分子量為600至1,200。
  3. 如請求項1所述之耐衝擊環氧樹脂組成物，其中，該環氧樹脂的環氧當量為200克/當量至400克/當量。
  4. 如請求項1所述之耐衝擊環氧樹脂組成物，其中，固化劑包括異氰酸酯類固化劑、胺系固化劑、酸酐類固化劑或其組合。
  5. 如請求項1所述之耐衝擊環氧樹脂組成物，其中，該耐衝擊環氧樹脂組成物更包括增韌劑、填料、色料或其組合。
  6. 如請求項1至5中任一項所述之耐衝擊環氧樹脂組成物，其中，該環氧樹脂和該固化劑的重量比為100：20至100：75。
  7. 一種耐衝擊膜，其係由請求項1至6中任一項所述之耐衝擊環氧樹脂組成物所形成。
  8. 如請求項7所述之耐衝擊膜，其中，該耐衝擊膜的厚度為2.0毫米至10.0毫米。
  9. 如請求項7或8所述之耐衝擊膜，其中，該耐衝擊膜的蕭式硬度為40A至80A。
  10. 一種壓力瓶，其包括一瓶壁和一如請求項7至9中任一項所述之耐衝擊膜；該瓶壁圍繞出一容置空間；該耐衝擊膜形成於該瓶壁上。
  11. 如請求項10所述之壓力瓶，其中，該瓶壁包含碳纖維、金屬、玻璃纖維或其組合。
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