聚雙胍/環氧樹脂體系潛伏性固化過程

王權，史鐵鈞，張焱，虞伕，劉建華

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聚雙胍/環氧樹脂體系潛伏性固化過程

王權，史鐵鈞，張焱，虞伕，劉建華

（合肥工業大學化工學院，安徽 合肥 230009）

用己二胺與雙氰胺熔融縮聚，合成了一種新型潛伏性環氧樹脂固化劑，并研究了其與環氧樹脂的固化過程。用FTIR、XPS、1H NMR分析了固化劑的結構；用DSC分析得到了固化劑與環氧樹脂的適宜配比、固化體系的適宜固化溫度及固化動力學參數；通過XRD分析了固化物的相結構；通過TG分析了固化物的熱穩定性。結果表明，與雙氰胺環氧樹脂固化體系相比，固化溫度降低近70℃，同時潛伏性能良好，30 d內固化度少于10%，熱穩定性能良好，熱分解溫度超過300℃。

聚六亞甲基雙胍；改性雙氰胺；環氧樹脂；潛伏性固化劑；合成；動力學；穩定性

引 言

環氧樹脂固化后具有良好的物理、化學性能，因而被大量應用，但固化環氧樹脂傳統的雙組分固化劑有諸多缺陷，限制了環氧樹脂的更廣泛應用。傳統雙組分環氧樹脂固化體系中，固化劑的活性一般較高，如脂肪胺類，與環氧基反應迅速，混合后常溫下就能夠發生反應，適用期很短，環氧樹脂和固化劑需要分開貯存，使用時現場精確稱量、混合，制備固化體系，使用不方便，且性能不穩定。新型的具有潛伏性的固化劑具有良好的條件響應，與環氧樹脂混合后得到單組分環氧樹脂固化體系，常溫常壓下能夠穩定貯存，使用時在一定條件(如溫度、壓力、濕度等)下即能迅速固化，性能穩定，可控性好，能夠彌補傳統固化劑的諸多不足，擴大環氧樹脂的應用。

雙氰胺(DICY)是最常用的潛伏性環氧樹脂固化劑，穩定性好，潛伏期長，與環氧樹脂混合后得到的單組分環氧樹脂體系貯存期超過半年[1-4]，但DICY與環氧樹脂相容性差，固化環氧樹脂的溫度過高，需要180℃，實際應用時超出了許多器件的承受范圍，限制了DICY在潛伏性固化劑方面的發展和應用[5-7]。

降低DICY/EP體系固化溫度的方法主要有添加促進劑和化學改性兩種[8-9]。添加促進劑能夠有效地將固化溫度降低，但會損失雙氰胺的潛伏性，使其單組分環氧樹脂體系貯存期大大縮短[10-12]。雙氰胺分子中，強吸電子的腈基使氨基的電子云密度降低，反應活性減弱，對雙氰胺進行化學改性，適當地提高氨基的活性，就可以在降低固化溫度的同時保持良好的潛伏性[13-14]。

本文根據文獻[15]利用己二胺(HMDA)對DICY改性合成出聚六亞甲基雙胍，并作為環氧樹脂的潛伏性固化劑使用，通過引入供電子的六亞甲基提高氨基的活性，降低環氧樹脂的固化溫度，并兼有良好的貯存穩定性。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品及儀器

DICY(化學純)，國藥集團；HMDA(分析純)，國藥集團；環氧樹脂E-44，無錫樹脂廠。

傅里葉變換紅外光譜儀：帕金埃爾默公司SPECTRUM-100，溴化鉀壓片法；差示掃描量熱儀：梅特勒公司DSC821，N2氣氛下測試，升溫速率見實驗分析部分；熱重分析儀：耐馳公司TG209F3，N2氣氛下測試，25～80℃，升溫速率10℃·min-1；X射線衍射儀：日本理學公司D/MAX2500V，掃描范圍0～90°；超導核磁共振波譜儀：美國安捷倫科技公司VNMRS600，核磁氫譜，溶劑D2O；X射線光電子能譜儀：美國Thermo公司ESCALAB250，分析元素：C、N。

1.2 實驗方法

PHMBG的合成路線見圖1，取等物質的量的己二胺和雙氰胺混合，180℃下分別加熱4、8、12 h，分別標記為PHMBG-1、PHMBG-2、PHMBG-3，反應過程中，每隔1 h減壓除去反應放出的氨氣，反應結束，室溫干燥儲存。通過NaHCO3中和得到聚六亞甲基雙胍，經過柱色譜分離提純得到用于FTIR及1H NMR的測試樣品。

2 結果與討論

2.1 聚合物結構分析

圖2為反應物DICY、HMDA及不同反應時間得到的3種聚合物的紅外圖譜，可以看出經過反應，DICY的腈基吸收峰2208和2164 cm-1消失，3種聚合物的譜圖基本相同，均出現3350 cm-1處—NH2的吸收峰、3146 cm-1處CN—H的吸收峰、2929和2854 cm-1處CH2的吸收峰、1650 cm-1處CN的吸收峰[16]，表明反應過程中CN發生加成反應。

圖3顯示了3種聚合物的XPS圖譜，經過解卷積，3種聚合物的C 1s均可得到 3個峰，分別為C—C (284.6 eV)、C—N (285.7 eV)、N—C(N)—N (288.8 eV)，沒有出現其他形式的C，也可以證明

圖4為3種聚合物的核磁氫譜，溶劑為D2O (=4.7)，圖中c處(=2.75～2.95)為端脂肪氨基的化學位移，可以看出隨著聚合反應時間的延長，峰的相對面積越來越小，表明延長反應時間，聚合度增大，與文獻[17]的報道相同。

2.2 聚雙胍/環氧樹脂的體系最佳配方

取聚雙胍與環氧樹脂混合均勻，制備不同配比的單組分環氧樹脂樣品，聚雙胍與環氧樹脂質量配比分別為12/100、14/100、16/100、18/100、20/100。

為得到適宜的固化劑添加量，通過DSC法分別對上述3組體系的固化過程進行分析，升溫速率為10℃·min-1。固化劑量不足時，環氧基的轉化率降低，反應熱減少；固化劑過量時，環氧樹脂的量相對減少，固化劑的轉化效率降低，反應熱也會減少；固化劑添加量適當時，反應熱達到最大[18]。通過對DSC固化曲線進行積分，可得到相應的固化反應熱，結果如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著PHMBG熔融聚合時間延長，PHMBG固化環氧樹脂的總放熱量呈現降低的趨勢；3組體系的最大放熱量分別為48.8、45.9、36.2 J·g-1，對應的最適宜配比分別為14/100、16/

100、18/100，即PHMBG分子量較大時，需要增加添加量提高固化度。出現上述現象的原因可能是隨著聚合時間延長，PHMBG分子量增加，分子的擴散變得困難，可能會出現團聚，使固化效率降低。

為研究PHMBG在環氧樹脂中的分散情況，通過XRD對不同聚合時間的PHMBG和相應環氧樹脂固化物進行分析，如圖6所示，從圖中可以看出，PHMBG有多個尖銳的衍射峰，并隨著聚合時間的延長，峰的強度減弱，峰形變寬，結晶能力減弱；對比3個固化物的XRD譜圖，固化劑尖銳衍射峰變成較寬的衍射包，可以得出分散到環氧樹脂中后，PHMBG的長程有序消失，但仍有一些短程有序，表明PHMBG與環氧樹脂有一定的相容性，由3個衍射包強度依次變大，可以得出固化物中存在的短程有序增加，說明PHMBG聚合時間延長，與環氧樹脂混合時分散能力減弱，即PHMBG-1在環氧樹脂中的分散最好。

結合DSC和XRD的分析，表明聚合時間為4 h，PHMBG-1/E-44質量比14/100為最佳配方。

2.3 聚雙胍/環氧樹脂的體系的適宜固化溫度

通過DSC法研究固化過程時，固化特征溫度受升溫速率影響而變化。如表1所示，升溫速率分別為5、10、15、20℃·min-1，i和p分別為固化起始溫度和固化峰值溫度，升溫速率越快，相應特征溫度越延遲。實際的環氧樹脂固化過程通常為恒溫固化，為消除升溫速率的影響，參考文獻[19]中的外推法，外推到= 0，算出i(=0)和p(=0)，作為恒溫固化的溫度區間，結果見表1。

由表1可以看出，3個體系適宜的固化溫度區間分別為117～156℃、106～152℃、128～172℃，

表1 外推法估算固化溫度區間 Table 1 Estimate range of curing temperatures by extrapolation

固化溫度隨著PHMBG分子量的增加出現先降低再上升的現象。

2.4 固化反應動力學模型

固化反應動力學中表觀活化能a和表觀頻率因子是衡量潛伏性的重要參數，潛伏性固化劑需要常溫下不與環氧發生反應，升溫后迅速固化，在反應動力學上表現為較高的a和較高的(或ln)，a值大，反應活性低，固化起始溫度升高常溫貯存時穩定性好，(或ln)值大固化起始溫度相對降低[16]。

通過Kissinger方程式(1)可估算出a和的值[20-23]

以-ln(/2p)對1000/p作圖，并進行線性擬合，得出斜率和截距，處理結果如圖7(a)；固化反應表觀活化能a=1000，ln=ln(1000)-，計算結果如圖7(b)所示。從圖中可以看出PHMBG-1/E-44體系的a和ln最大，表明該體系理論上具有相對較好的潛伏性。

從圖中還可以看出a和ln值隨分子量的增加先降低再升高，與前文固化起始溫度的趨勢相同，這可能與配料時固化劑與環氧樹脂混合不均勻有關，分子量過小，固化劑分子團聚成顆粒狀分散，

機械攪拌僅能減小顆粒尺寸，需要較高溫度才能促進擴散，對溫度依賴，導致測得的a值偏高；分子量較大時，在剪切力作用下，分子鏈趨于舒展，分子鏈間能夠發生滑移，并擴散均勻，由于分子量較大，升溫對擴散的作用較小，表現出對外剪切力的依賴；分子量過大時，分子鏈間的纏結加劇，不利于擴散，強剪切力和升高溫度都不能很好地促進擴散，導致固化程度受限制，固化放熱量降低，與前文固化放熱量測試結果吻合。

2.5 固化物熱穩定性能測試

通過TG對不同分子量PHMBG/EP的固化物進行分析，結果如圖8所示，起始分解溫度分別為308、317、321℃，分解殘留率分別為3.6%、8.7%、9.8%，均隨著分子量的增加逐漸上升，表明固化物具有較好的熱穩定性，并且PHMBG分子量增加，有助于進一步提高固化物的熱穩定性。

2.6 潛伏性能評估

為評價PHMBG的潛伏性能，將按最佳配比制備的3種PHMBG/EP常溫下存放，觀測時間為30 d，每隔5 d取一次進行DSC分析，升溫速率為10℃·min-1，得到固化熱隨時間變化的實驗值，結果如圖9所示。從圖中可以看出，3個體系的固化熱隨時間緩慢減少，30 d后3個體系的固化度分別為4.7%、6.5%、8.3%，表明3個PHMBG/EP體系在常溫下的反應速率均很慢，貯存穩定性良好，即PHMBG擁有良好潛伏性，其中PHMBG-1/EP的潛伏性能最好，驗證了固化動力學分析的結果。

3 結 論

本文通過熔融聚合得到一種新的改性雙氰胺類環氧樹脂潛伏性固化劑，通過FTIR、1H NMR、

XPS、DSC、XRD、TG等分析方法，對改性雙氰胺及其環氧樹脂固化體系進行了研究，結果表明：

（1）成功合成了3種PHMBG，通過FTIR、1H NMR、XPS分析了PHMBG的結構以及合成機理。

（2）通過DSC分析和XRD分析，得到PHMBG聚合時間為4 h，PHMBG-1/E-44質量比14/100為最佳配方。

（3）通過DSC的分析并經過外推法處理，得到3個固化體系的適宜固化溫度，分別為117、106、128℃，與雙氰胺/環氧樹脂固化體系相比降低近70℃。

（4）通過固化動力學的分析，得到PHMBG-1/ E-44體系理論上具有相對較好的潛伏性。并通過DSC法觀測了30 d的貯存情況，得到PHMBG-1/ E-44的貯存穩定性最好，驗證了固化動力學分析的結果。

（5）通過TG法的分析，得到了3種固化物均具有較好的熱穩定性，分解溫度分別為308、317、321℃。

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Latent curing of polybiguanide/epoxy resin

WANG Quan, SHI Tiejun, ZHANG Yan, YU Fu, LIU Jianhua

(School of Chemical Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，Anhui，China)

A new latent curing agent for epoxy resin was synthesizedmelted polycondensation of dicyandiamide (DICY) and hexamethylenediamine. The structure of the curing agent was analyzed with FTIR, XPS,1H NMR. The optimum ratio, suitable curing temperature and curing kinetic parameters of this epoxy resin curing system were studied with DSC. The phase structure of the cured epoxy resin was investigated with XRD. The thermostability of the cured epoxy resin was obtained by TG. Comparing with the DICY/EP curing system, curing temperature dropped by nearly 70℃. Latency performance was fine as curing degree was less than 10% within 30 days. Thermostability was nice as thermal decomposition temperature exceeded 300℃.

polyhexamethylene biguanidine; modified dicyandiamide; epoxy resin; latent curing agent; synthesis; kinetics; stability

date：2014-06-16.

Prof. SHI Tiejun，stjhfut@163.com

10.11949/j.issn.0438-1157.20140904

O 631

A

0438—1157（2015）01—0464—07

國家自然科學基金項目(51273054)。

2014-06-16收到初稿，2014-10-14收到修改稿。

聯系人：史鐵鈞。第一作者：王權(1990—)，男，碩士研究生。

supported by the National Natural Science Foundation of China(51273054).