环氧树脂化学结构式

① 环氧树脂固化剂

环氧树脂是一类具有良好的粘接性、电绝缘性、化学稳定性的热固性高分子材料,作为胶粘剂、涂料和复合材料等的树脂基体,广泛应用于建筑、机械、电子电气、航空航天等领域。环氧树脂使用时必须加入固化剂,并在一定条件下进行固化反应,生成立体网状结构的产物,才会显现出各种优良的性能,成为具有真正使用价值的环氧材料。因此固化剂在环氧树脂的应用中具有不可缺少的,甚至在某种程度上起着决定性的作用。环氧树脂潜伏性固化剂是近年来国内外环氧树脂固化剂研究的热点。所谓潜伏性固化剂,是指加入到环氧树脂中与其组成的单组分体系在室温下具有一定的贮存稳定性,而在加热、光照、湿气、加压等条件下能迅速进行固化反应的固化剂,与目前普遍采用的双组分环氧树脂体系相比,由潜伏性固化剂与环氧树脂混合配制而成的单组分环氧树脂体系具有简化生产操作工艺,防止环境污染,提高产品质量,适应现代大规模工业化生产等优点。

环氧树脂潜伏性固化剂的研究一般通过物理和化学的手段,对普通使用低温和高温固化剂的固化活性加以改进,主要采取以下两种改进方法:一是将一些反应活性高而贮存稳定性差的固化剂的反应活性进行封闭、钝化;二是将一些贮存稳定性好而反应活性低的固化剂的反应活性提高、激发。最终达到使固化剂在室温下加入到环氧树脂中时具有一定的贮存稳定性,而在使用时通过光、热等外界条件将固化剂的反应活性释放出来,从而达到使环氧树脂迅速固化的目的。本文就国内外环氧树脂潜伏性固化剂的研究进展作一基本概述。

1 环氧树脂潜伏性固化剂

1.1 改性脂肪族胺类

脂肪族胺类固化剂如乙二胺、己二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺等是常用的双组分环氧树脂室温固化剂,通过化学改性的方法,将其与有机酮类化合物进行亲核加成反应,脱水生成亚胺是一种封闭、降低其固化活性,提高其贮存稳定性的有效途径。

这种酮亚胺型固化剂与环氧树脂组成的单组分体系通过湿气和水分的作用而使酮亚胺分解成胺因此在常温下即可使环氧树脂固化。但一般固化速度不快,使用期也较短,原因是亚胺氮原子上的孤对电子仍具有一定的开环活性。为解决这一问题,武田敏之用羰基两端具有立体阻碍基团的酮3-甲基-2 -丁酮与高活性的二胺1,3 二氨甲基环己烷反应得到的酮亚胺不仅具有较高的固化反应活性,而且贮存稳定性明显改善。另外日本专利报道采用聚醚改性的脂肪族胺类化合物与甲基异丁基酮反应得到的酮亚胺也是一种性能良好的环氧树脂潜伏性固化剂。脂肪族胺类固化剂通过与丙烯腈、有机膦化合物,过渡金属络合物的反应,也可使其固化反应活性降低,从而具有一定的潜伏性。

1.2 芳香族二胺类

芳香胺由于具有较高的Tg而受到重视,但由于其的剧毒性而限制了应用。经改性制得的芳香族二胺类固化剂则具有Tg高、毒性低、吸水率低、综合性能好的优点。近年来研究较多的芳香族二胺类固化剂有二胺基二苯砜(DDS)、二胺基二苯甲烷(DDM)、间苯二胺(m PDA)等,其中以DDS研究得最多最成熟,成为高性能环氧树脂中常用的固化剂。DDS用作环氧树脂潜伏性固化剂时,与MP DA、DDM等芳香二胺相比,由于其分子中有强吸电子的砜基,反应活性大大降低,其适用期也增长。在无促进剂时,100克环氧树脂配合物的适用期可达1年,固化温度一般要达到200℃。为了降低其固化温度,常加入促进剂以实现中温固化。近年来为了改善体系的湿热性能和韧性,对DDS进行了改性,开发出多种聚醚二胺型固化剂,使得它们在干燥时耐热性有所降低,这些二胺因两端胺基间的距离较长,造成吸水点氨基减少,并且具有优良的耐冲击性。

1.3 双氰胺类

双氰胺又称二氰二胺,很早就被用作潜伏性固化剂应用于粉末涂料、胶粘剂等领域。双氰胺与环氧树脂混合后室温下贮存期可达半年之久。双氰胺的固化机理较复杂,除双氰胺上的4个氢可参加反应外,氰基也具有一定的反应活性。双氰胺单独用作环氧树脂固化剂时固化温度很高,一般在150～170℃之间,在此温度下许多器件及材料由于不能承受这样的温度而不能使用,或因为生产工艺的要求而必须降低单组分环氧树脂的固化温度。解决这个问题的方法有两种,一种是加入促进剂,在不过分损害双氰胺的贮存期和使用性能的前提下,降低其固化温度。这类促进剂很多,主要有咪唑类化合物及其衍生物和盐、脲类衍生物、有机胍类衍生物、含磷化合物,过渡金属配合物及复合促进剂等,这些促进剂都可以使双氰胺的固化温度明显降低,理想的固化温度可降至120℃左右,但同时会使贮存期缩短,而且耐水性能也会受到一定的影响。

另一种降低单组分环氧树脂固化温度的有效方法是通过分子设计的方法对双氰胺进行化学改性。在双氰胺分子中引入胺类,特别是芳香族胺类结构,以制备双氰胺衍生物,如瑞士Ciba Geigy公司开发的HT 2833,HT 2844是一种用3,5 二取代苯胺改性的双氰胺衍生物,其化学结构式如下:

据报道,此类固化剂与环氧树脂相溶性较好,贮存期长,固化速度快,在100℃下固化1h,剪切强度可达25MPa,150℃固化30min,剪切强度可达27MPa。日本旭化成工业公司研制的粉末涂料专用固化剂AEHD-610,AEHD-210也是一种改性双氰胺衍生物。另外,日本有采用芳香族二胺如4,4’ 二氨基二苯甲烷(DDM),4,4’ 二氨基二苯醚(DDE),4,4’ 二氨基二苯砜(DDS),对二甲苯胺(DMB)分别与双氰胺反应制得其衍生物的报道。上述引入苯环后的双氰胺衍生物与双酚A型环氧树脂的相溶性与双氰胺相比明显增加,与E 44环氧树脂组成的单组分体系在室温贮存期长达半年之久,固化温度均低于双氰胺。

国内有关对双氰胺进行化学改性得到双氰胺衍生物的报道较少,温州清明化工采用环氧丙烷与双氰胺反应制得了双氰胺MD 02,其熔点154～162℃,比双氰胺的熔点(207～210℃)低了45℃左右,采用100份E 44环氧树脂,15份MD 02和0 5份2 甲基咪唑组成的配方,150℃下凝胶的时间为4min。用苯胺 甲醛改性双氰胺所得的衍生物与双酚A型环氧树脂混溶性增加,在丙酮和酒精的混合溶液中有良好的溶解性,且反应活性增加,贮存性也较长。

1.4 咪唑类

咪唑、2-甲基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑、2-苯基咪唑等咪唑类固化剂是一类高活性固化剂,在中温下短时间即可使环氧树脂固化,因此其与环氧树脂组成的单组分体系贮存期较短,必须对其进行化学改性,在其分子中引入较大的取代基形成具有空间位阻的咪唑类衍生物,或与过渡金属Cu、Ni、Co、Zn等的无机盐反应生成相应的咪唑盐络合物,才能成为在室温下具有一定贮存期的潜伏性固化剂。对咪唑类固化剂进行化学改性的方法很多,从反应机理上来看,主要有两种:一种是利用咪唑环上1位仲胺基氮原子上的活泼氢对其进行改性,这类改性剂有异氰酸酯、氰酸酯、内酯等,改性后所得的咪唑类衍生物具有较长的贮存期和良好的机械性能。另一种方法是利用咪唑环上3位N原子的碱性对其改性,使它与具有空轨道的化合物复合,这类物质包括有机酸、金属无机盐类、酸酐、TCNQ、硼酸等。其中金属无机盐类一般是含具有空轨道的过渡金属离子,如Cu2+、Ni2+、Zn2+、Cd2+、Co2+等,它们与咪唑形成配位络合物,具有很好的贮存性,而在150～170℃迅速固化,但无机盐类、有机酸及其盐类等的引入,将会破坏原咪唑固化产物的耐水解性和耐湿热性。

国内对咪唑类潜伏性固化剂的研究较少,国外市场则相对较多。日本第一工业制药株式会社将各种咪唑与甲苯二异氰酸酯(TDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、六次甲基二异氰酸酯(HDI)反应制成封闭产物,减弱了咪唑环上胺基的活性,有较长使用期,当温度上升到100℃以上,封闭作用解除,咪唑恢复活性,环氧树脂固化。

1.5 有机酸酐类

有机酸酐类固化剂与双氰胺相似,具有较好的贮存稳定性,尽管固化温度较高,可是固化产物的力学性能、介电性能和耐热性能均较好。不过这类固化剂由于酸酐键容易水解的缘故而耐湿性较差,并且不容易进行化学改性,因此一般采用添加促进剂的方法降低有机酸酐类固化剂的固化温度。有机酸酐类固化剂常用的固化促进剂包括叔胺和叔胺盐,季膦盐,路易斯酸-胺络合物,乙酰丙酮过渡金属络合物等。

1.6 有机酰肼类与双氰胺一样,有机酰肼也是一种高熔点固体,但其固化温度比双氰胺低。有机酰肼与环氧树脂组成的单组分环氧树脂胶体系的贮存期可达4个月以上,常用的有机酰肼化合物有:琥珀酸酰肼、己二酸二酰肼、癸二酸酰肼、间苯二甲酸酰肼和对羟基安息香酸酰肼(POBH)等。不同种类的有机酰肼固化温度不尽相同,由于其固化温度较高,故常加入促进剂来降低固化温度,所用的促进剂与双氰胺基本相同。

1.7 路易斯酸

胺络合物类路易斯酸 胺络合物是一类有效的环氧树脂潜伏性固化剂,由BF3、AlCl3、ZnCl2、PF5等路易斯酸与伯胺或仲胺形成络合物而成。作为环氧树脂的固化剂,这类络合物常温下相当稳定,而在120℃时则快速固化环氧树脂,其中研究最多的是三氟化硼-胺络合物。据报道,一种合成的新型三氟化硼-胺络合物BPEA-2具有良好的潜伏性、粘接性能和韧性。路易斯酸 胺络合物也是酸酐类和芳香胺类潜伏性固化剂常用的促进剂。

1.8 微胶囊类

微胶囊类环氧树脂潜伏性固化剂实际上是利用物理方法,将室温双组分固化剂采用微细的油滴膜包裹,形成微胶囊,加入到环氧树脂中后将固化剂的固化反应活性暂时封闭起来,而通过加热、加压等条件使胶囊破裂,释放出固化剂,从而使环氧树脂固化。微胶囊类环氧树脂潜伏性固化剂的成膜剂包括纤维素、明胶、聚乙烯醇、聚酯、聚砜等,由于制备工艺要求严格,胶囊膜的厚度对贮存、运输和使用会带来不同程度影响。

2 结语

虽然环氧树脂潜伏性固化剂的种类很多,但是每种类型的固化剂都有一定的优点和缺点,到目前为止,仍然没有发现一种性能特别优良,十分理想的潜伏性固化剂。目前环氧树脂潜伏性固化剂的研究主要集中在双氰胺类,咪唑类和芳香族二胺类固化剂。同时在达到潜伏性固化剂使用中降低固化温度、缩短固化时间、延长适用期的要求的基础上,进一步解决环氧树脂固化产物耐水、耐热,以及提高韧性等问题,也是今后环氧树脂潜伏性固化剂研究的重点。不仅如此,随着人们对环境保护意识的提高,低毒和无毒的环保型环氧树脂潜伏固化剂的研究也是必然的趋势。

② 树脂的结构式

酚醛树脂
活性位有3个，临位和对位。下图示为临位(当酚醛比为1：1时)缩聚
继续增大甲醛用量会使对位相接而使链段间交联，形成网状结构。
反应为缩聚（加聚没有脱去小分子）。

环氧树脂环氧树脂按化学结构可大致分为以下几类。
（1）缩水甘油醚类其中的双酚A缩水甘油醚树脂简称为双酚A型环氧树脂，是应用最广泛的环氧树脂，其化学结构式为：

双酚F型环氧树脂，其化学结构式为：

双酚S型环氧树脂，其化学结构式为：

氢化双酚A型环氧树脂，其化学结构式为：

酚醛型环氧树脂，其化学结构式为：

脂肪族缩水甘油醚树脂，其化学结构式为：

溴代环氧树脂，其化学结构式为：

（2）缩水甘油酯类邻苯二甲酸二缩水甘油酯等，其化学结构式为：

（3）缩水甘油胺类其通式为：

其中四缩水甘油二氨基二苯甲烷：

（4）脂环族环氧树脂其化学结构式为：

（5）环氧化烯烃类其化学结构式为：

（6）新型环氧树脂近年来出现了一些新型环氧树脂，如海因环氧树脂，其化学结构式
为：

酰亚胺环氧树脂，其化学结构式为：

③ 在环氧树脂胶中，固化剂是什么，加的比例是多少

1、固化剂又名硬化剂、熟化剂或变定剂，是一类增进或控制固化反应的物质或混合物。

树脂固化是经过缩合、闭环、加成或催化等化学反应，使热固性树脂发生不可逆的变化过程，固化是通过添加固化（交联）剂来完成的。固化剂是必不可少的添加物，无论是作粘接剂、涂料、浇注料都需添加固化剂，否则环氧树脂不能固化。 固化剂的品种对固化物的力学性能、耐热性、耐水性、耐腐蚀性等都有很大影响。

2、固化剂加的比例需通过计算确定

固化剂用量计算方法：

（1）胺类作交联剂时按下式计算：

胺类用量=MG/Hn

式中：M=胺分子量；Hn=含活泼氢数目；；G=环氧值（每100克环氧树脂中所含的环氧当量数）

（2）用酸酐类作交联剂时按下式计算：

酸酐用量=MG（0.6~1）/100

式中：M=酸酐分子量；G=环氧值（0.6~1）为实验系数

(3)环氧树脂化学结构式扩展阅读：

固化剂分类

固化剂按用途可分为常温固化剂和加热固化剂。环氧树脂高温固化时一般性能优良，但是在土木建筑中使用的涂料和粘接剂等由于加热困难，需要常温固化，所以大都使用脂肪胺、脂环映以及聚酰胺等，尤其是冬季使用的涂料和粘接剂不得不与多异氰酸酯并用，或使用具有恶臭气味的聚琉醇类。

至于中温固化剂和高温固化剂，则要以被着体的耐热性以及固化物的耐热性、粘接性和耐药品性等为基准来选择。选择重点为多胺和酸酐。由于酸酐固化物具有优良的电性能，所以广泛用于电子、电器等领域。

脂肪族多胺固化物粘接性以及耐碱、耐水性比较好。芳香族多胺在耐药品性方面也是优良的。由于氨基的氮元素与金属形成氢键，因而具有优良的防锈效果。胺质量浓度愈高，防锈效果愈好。酸酐固化剂和环氧树脂形成酯键，对有机酸和无机酸显示了高的抵抗力，电性能一般也超过了多胺。

网络-固化剂

网络-环氧树脂

④ 求助：环氧树脂E-44和E-51的结构式

⑤ 环氧树脂的化学结构式

凡含有环氧基团的树脂统称为环氧树脂。它的种类很多，在各类环氧树脂中，以双酚A型产量最大，用途最广，有通用环氧树脂之称。
它的分子结构中具有羟基，醚键和极为活泼的环氧基-CH-CH2-

⑥ 邻甲酚醛环氧树脂的目录

邻甲酚醛环氧树脂系国外70年代为适应半导体工业和电子工业的高速发展而开发的一种多官能团缩水甘油醚型环氧树脂，分子结构式如下：
从分子结构中可以看出，每一个苯环上连接有一个环氧基团，与软化点在70～80℃区间的双酚A型环氧树脂（环氧值为0.2eq/100g）相比，邻甲酚醛环氧树脂的环氧值高达0.5 eq/100g以上，树脂固化时能够提供2.5倍的交联点，极易形成高交联密度的三维结构，加之固化物富含酚醛骨架，表现出优异的热稳定性、机械强度、电气绝缘性能、耐水性、耐化学药品性的较高的玻璃化温度（tg），见表达式。采用高纯度的树脂封装的电子元器件即便在高温、潮湿有苛刻环境中也能保持其良好的电气绝缘性能。该树脂另一个显著特点是软化点变化时，环氧值基本上无变化，而且熔融粘度相当低，赋予了树脂优异的工艺稳定性及加工工艺性，因而在半导体工业上广泛作为LSI、VLSI集成电路、电子元器件以及民用弱电制品（VTR、OP）等封装材料的主粘接材料。
但该树脂固化后性脆，近10年来通过强远见卓识化改性得以改善。例如采用改性高效填料，包膜增韧填料或添加橡胶微粒子（如（CTBN，ATBN，有机硅等）形成“海岛”结构以增韧和降低热应力和热膨胀指法数。近年来为进一步提高耐热性，采用在邻甲酚醛环氧树脂分子结构中引入含羟基的聚甲基硅氧烷，可提高固化物tg至80～100℃，同时吸水率降低，耐腐蚀性提高，内应力降低。
表1 双酚A型与邻甲酚型环氧树脂比较 环氧树脂类别 软化点
℃ 环氧值（eq/q100g 热变形温度℃ 弯典强度/Mpa 拉伸强度/Mpa 弹性模量/Mpa 介电损失角正切（105 Hz） 热稳定性（180℃×5h）/% 吸水率（100℃×168h）/% 双酚A型 70～75 0.18～0.20 158 127 65 3250 0.015 0.50 2.5 邻甲酚醛型 70～75 0.45～0.50 210 180 70 3805 0.005 0.15 1.5 2、国内外生产应用研究现状及差距
国外邻甲酚醛环氧树脂历经30年发展，目前正朝超高纯度和降皂化氯的方向发展，例如，采用适当的溶剂和合适的脱氯化氢剂等。以银盐（如乙酸银）、金属钠、离子交换树脂，采用电泳、超滤、渗透膜分离、界机缩聚等方法来脱除易皂化氯和结合氯（bound-Cl）。目前已有易皂化氯含量小于100ug/g的树脂面市，见表2。
表2 国内外邻甲酚醛环氧树脂指标数据表 树脂 外观 环氧当量geq-1 易皂化氯质量比
ug g –1 无机氯质量比
ug g –1 钠离子质量比
ug g –1 软化点℃ 挥发份% 色相 国外产品 无色透明固体 190～195 ≤100 ≤1 ≤1 70～80 微量 ≤1 国内产品 黄色透明固体 200～230 ≤500 ≤5 ≤5 70～80 ≤0.5 ≤3 国外生产公司主要集中于日本、美国、瑞士等发达国家。总生产能力突破20kt/a，其中尤以日本产品质量好，价格低。Ciba-Gergy公司正在削减其生产产量。产品的90%以上主要向发展中国家销售。已基本占据了目前全世界塑封料用基础树脂市场。国外Boyden和Schenectady公司还生产游离酚低于0.05%的邻甲酚醛树脂用作环氧塑封料固化剂，产量约1.5～2kt。
近年来中国环氧树脂合（独）资企业如雨后春笋般蓬勃发展，对民族环氧树脂工业呈夹击趋势，总吨位达150kt之多，见表3。国外公司产品成本约为20元/kg左右，进入中国市场售价高达40～50元/kg，个中原因即在于中国企业尚不能规模化生产高品质、高纯度的邻甲酚醛环氧树脂。 厂家名称 能力/（kt .a） 备注 巴陵石化环氧树脂厂 40 扩建 江苏宜兴三木集团公司 15 扩建 广东汽巴高分子化工有限公司 30 合资 沈阳化工股份有限公司 20 合资 上海树脂厂 10 扩建 壳牌(中国张家港)公司 40 独资 合 计 185 - a、先缩合后环氧化工艺。
邻甲酚与甲醛在酸性催化剂存在下缩聚，得到线性邻甲酚醛树脂。邻甲酚醛树脂的环氧化又分为一步法和两步法。一步法系邻甲酚醛树脂与过量的环氧氯丙烷在负压下加碱闭环、经纯化后处理得到成品；二步法系邻甲酚醛树脂与环氧氯丙烷在相转移催化剂（PTC）作用下生成氯醇醚，再在碱性条件下闭环环氧化，经纯化后处理得到成品。
b、先醚化后缩合再环氧化工艺。
先由邻甲酚与环氧氯丙烷在相转移催化剂作用下生成氯醇醚、再与甲醛在酸性催化剂作用下缩合生成线性树脂，最后在碱性条件下脱除氯化氢环氧化得到邻甲酚醛环氧树脂。
c、过氧化物氧化法。
日本住友公司精细化工研究所金川修一等人采用先由带不饱和基团的酚类与甲醛缩成含有不饱和双键烯丙基醚的结构单元的线性树脂，最后在过乙酸存在下低温氧化双键成环氧基。
上列3种合成方法中b法适用于较高分子质量的邻甲酚醛环氧树脂，可避免由于分子链段较长及邻位甲基的空间位阻效应阻碍酚羟基与环氧氯丙烷的醚化反应的加成困难的缺陷，利于得到高环氧值，低氯含量的树脂；c法系不采用环氧氯丙烷的合成工艺，消除了传统生产方法因空间位阻效应闭环反应不完全而残贸的氯基，利于封装的集成电路在高温、潮湿环境中长期工作，由此法得到的树脂环氧值大于0.5eq/100g，总氯质量比<20ug/，但b、c法局限试验室合成，离工业化还有一定路程。对于a法生产中一步法关键在于控制好反应体系水质量分数<2%，PH值<8.5，减少过量的环氧氯丙烷的水解损失。得到产品因闭环反应不完全易皂化氯含量偏高，环氧值偏低。但环氧氯丙烷单耗水平低，设备要求严格，自动化控制水平要求较高。A法中二步法关键在于醚化反应相转移催化剂（PTC）的选择。要求催化剂对酚羟基和环氧氯丙烷a位的加杨反应具有强的选择性，有利于后期易皂化氯的降低，可供选择的催化剂主要为季铵盐、季鏻盐及衍生物等。此法设备要求不严格，工艺成熟，产品质量稳定，易于工业化生产。
目前国内外公司均采用先缩合再环氧化的工艺进行生产。其中一步法和两步法各有其特点，生产企业可以根据自身状况确定生产方法并进一步完善生产工艺，例如，邻甲酚醛树脂反应过程中采用惰性气体N2保护，避免酚羟基被氧外；反应结束采用溶剂（MIBK）萃取是降低树脂氯含量的关键。溶剂应选择溶解度参数与树脂接近且密度小的溶剂。环氧树脂为中氢键溶解度参数δ（19.8J/cm2）1/2。溶剂与树脂在相同氢键等级内溶解度参数相符。因此溶剂主要集中在芳烃及酮类和混合溶剂上。具体数据见表7。
表7 几种可供选择的溶剂一览表 溶剂名称 密度 沸点/℃ 溶解度参数 苯 0.878 80.1 18.7 甲苯 0.886 110.8 18.2 氯苯 1.060 132.0 19.4 甲基异丁基酮 0.802 115.9 19.5 丁醇 0.811 117.0 23.3 环己酮 0.946 155.0 20.2