丙烯酸酯嵌段聚合物改性酚醛/環(huán)氧樹脂固化體系性能研究

鄒路絲，江叔芳，沈瑞迪（有機(jī)功能分子合成與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 湖北 武漢 430062）

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丙烯酸酯嵌段聚合物改性酚醛/環(huán)氧樹脂固化體系性能研究

鄒路絲，江叔芳，沈瑞迪
（有機(jī)功能分子合成與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 湖北 武漢 430062）

摘要：研究了不同丙烯酸酯嵌段聚合物（LA-polymer）彈性體添加量對(duì)酚醛（PF）/環(huán)氧樹脂（EP）固化體系機(jī)械性能（本體拉伸，拉伸剪切，斷裂韌性）及熱降解行為的影響。采用掃描電鏡（SEM）對(duì)斷面形貌進(jìn)行表征，探討了彈性體增韌改性環(huán)氧樹脂的機(jī)理，采用Coats-Redfern（CR）法探討LA-polymer彈性體添加量對(duì)PF/EP體系降解動(dòng)力學(xué)的影響。研究表明，添加適量LA-polymer能增韌環(huán)氧樹脂，有效保留本體拉伸強(qiáng)度并提高本體柔性；拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試表明，當(dāng)LA-polymer添加量為20質(zhì)量份（100質(zhì)量份環(huán)氧樹脂中加入量，下同）時(shí)，固化體系拉伸剪切強(qiáng)度較空白樣提高了40%；拉伸斷面形貌表征表明，LA-polymer的添加能實(shí)現(xiàn)本體的脆-韌轉(zhuǎn)變，裂紋擴(kuò)展得到有效鈍化；熱失重（TGA）研究表明LA-polymer的添加會(huì)一定程度降低固化體系的熱分解溫度，并改變固化體系降解動(dòng)力學(xué)模型（由Fn向Dn轉(zhuǎn)變）。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹脂；酚醛樹脂；丙烯酸酯嵌段聚合物；改性

常見的環(huán)氧樹脂增韌改性方法是向環(huán)氧樹脂基體中引入第2相，如彈性體，橡膠及熱塑性塑料等［1～4］。由于改性粒子與環(huán)氧樹脂相容性有限，此類增韌改性方法通常會(huì)帶來固化物模量及使用溫度大幅度下降等缺點(diǎn)。近年來，嵌段聚合物改性環(huán)氧樹脂的研究表明［2，5］，兩親性嵌段聚合物能夠在環(huán)氧樹脂中組裝，形成有效的納米結(jié)構(gòu)，高效增韌環(huán)氧樹脂的同時(shí)有效保留環(huán)氧基體的強(qiáng)度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，克服了改性劑與環(huán)氧基體相容性差的問題?；诩{米結(jié)構(gòu)形成機(jī)理（自組裝和反應(yīng)誘導(dǎo)相分離機(jī)理），動(dòng)力學(xué)及增韌機(jī)理（空穴化等）的研究需要，大量昂貴而缺少應(yīng)用價(jià)值的兩親性嵌段聚合物在實(shí)驗(yàn)室中被合成和使用，而對(duì)其工業(yè)化的應(yīng)用研究還較少［1］。

H.Kishi等人［6，7］以日本可樂麗公司的丙烯酸酯嵌段聚合物（聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸丁酯-聚甲基丙烯酸甲酯）彈性體［8］為改性劑，對(duì)PF/EP固化體系進(jìn)行增韌改性，系統(tǒng)研究了納米結(jié)構(gòu)形成機(jī)理，控制手段與相關(guān)參數(shù)。但PF/EP/LA-polymer體系對(duì)生產(chǎn)實(shí)際適用性的研究還未開展。本文重點(diǎn)探討了該彈性體對(duì)PF/EP固化體系力學(xué)性能及熱穩(wěn)定性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

雙酚A型環(huán)氧樹脂（EP），環(huán)氧當(dāng)量184～194 g/eq，湖北奧生新材料有限公司；酚醛樹 脂 （PF），羥 基 當(dāng) 量105 g/eq；LA-polymer，數(shù)均分子質(zhì)量為70 000，日本可樂麗有限公司；三苯基膦（TPP），上海晶純生化科技股份有限公司。

1.2 固化物的制備

將LA-polymer與EP在室溫下混溶，然后在200 ℃油浴鍋中高速攪拌；待LA-polymer充分溶解于EP后降溫至100 ℃，加入等物質(zhì)的量比的固化劑PF及1質(zhì)量份（100質(zhì)量份環(huán)氧樹脂中加入量，下同）催化劑TPP于混合物中充分?jǐn)嚢杈鶆?；共混物被澆注到預(yù)處理好的聚四氟乙烯模具中，以120 ℃/2 h+150 ℃/2 h為固化程序進(jìn)行固化成型。

1.3 性能測(cè)試

拉伸性能：拉伸樣條尺寸如圖1（a）所示，測(cè)試條件參照澆注體性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2567—2008，在美國(guó)英斯特朗萬能材料試驗(yàn)機(jī)3300上完成。測(cè)試得到拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率。

斷裂韌性：斷裂韌性測(cè)試樣條如圖1（b）所示，樣條制備及測(cè)試方法均參照ASTM D5045進(jìn)行，加載速率10 mm/min。韌性參數(shù)臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子（KIC）參照公式（1），（2）進(jìn)行計(jì)算。

其中，F(xiàn)max為斷裂時(shí)的最大荷載，B為樣條厚度，W為樣條的寬度，a為缺口的長(zhǎng)度。

圖1　拉伸（a）及斷裂韌性（b）測(cè)試樣條尺寸［3］Fig.1 Specimen sizes for tensile test（a）and fracture toughness（b）

圖2　拉剪測(cè)試樣品規(guī)格Fig.2 Specimen specification for lap shear test

拉伸剪切強(qiáng)度：拉伸剪切金屬對(duì)接尺寸如圖2所示，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 7124—2008，在天津港源WDL-1萬能電子實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載速率為5 mm/min。

拉斷面形貌（SEM）：將拉斷面經(jīng)過真空鍍金后使用日本電子JSM-6510LV型掃描電鏡進(jìn)行斷面形貌測(cè)試；

熱失重分析（TGA）：在美國(guó)Perkinelmer公司Diamond型熱失重分析儀上進(jìn)行，氮?dú)饬魉贋?0 mL/min。引入靜態(tài)耐熱性參數(shù)（Ts）［9］和程序積分分解溫度（IPDT）［10］衡量固化物的耐熱性。

2 結(jié)果與討論

2.1 機(jī)械性能

2.1.1 拉伸強(qiáng)度

圖3為不同LA-polymer含量環(huán)氧樹脂固化物本體拉伸性能測(cè)試結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明LA-polymer添加量為10質(zhì)量份及以內(nèi)時(shí)，拉伸強(qiáng)度基本能夠維持在60 MPa左右，這可能是因?yàn)長(zhǎng)A-polymer中含有的甲基丙烯酸甲酯，能夠與環(huán)氧樹脂完全互溶，同時(shí)改性劑中大量存在的酯基能夠與固化體系中未反應(yīng)或未完全反應(yīng)的羥基與胺基形成一定數(shù)量的氫鍵，有利于強(qiáng)度性能的保留［11］，但當(dāng)LA-polymer含量進(jìn)一步增加時(shí)，固化體系交聯(lián)密度逐漸減?。?2］，拉伸強(qiáng)度逐漸下降。測(cè)試結(jié)果表明，在LA-polymer添加量超過15質(zhì)量份后，本體拉伸斷裂伸長(zhǎng)率趨于平緩。斷裂伸長(zhǎng)率的增加表明基體柔性增加，粘彈性得到提高，這可能是由于溶解于環(huán)氧基體中的甲基丙烯酸甲酯有效地增塑了環(huán)氧剛性基體。

圖3　LA-polymer含量對(duì)PF/EP拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig.3 Effect of LA-polymer content on tensile strength and elongation at break

2.1.2 剪切強(qiáng)度

LA-polymer含量對(duì)拉伸剪切強(qiáng)度的影響如圖4 所示。當(dāng)LA添加量為5 質(zhì)量份時(shí)，環(huán)氧膠粘劑的拉伸剪切強(qiáng)度基本不受影響，而當(dāng)LA-polymer添加量在5～20 質(zhì)量份時(shí)，拉伸剪切強(qiáng)度隨著LA-polymer含量增加由7.5 MPa增加至10.5 MPa，而當(dāng)LA-polymer含量進(jìn)一步增加到30質(zhì)量份，強(qiáng)度又回落至8.5 MPa。未改性的環(huán)氧樹脂固化膠層較脆，容易引發(fā)膠層中的缺陷形成裂紋。而LA-polymer的加入能夠有效地調(diào)節(jié)膠層的韌性，同時(shí)膠體中柔性聚甲基丙烯酸丁酯鏈段能夠有效地降低應(yīng)力集中。當(dāng)LA-polymer含量增加，固化體系中極性基團(tuán)含量增加，可能是導(dǎo)致粘接能力有所增加的主要原因。當(dāng)LA-polymer添加量達(dá)到30質(zhì)量份時(shí)，交聯(lián)密度大幅度下降，使得膠層本身強(qiáng)度大幅度降低，導(dǎo)致拉伸剪切強(qiáng)度下降。

圖4　LA-polymer含量對(duì)拉伸剪切強(qiáng)度影響Fig.4 Effect of LA-polymer content on tensile shear strength

2.1.3 斷裂韌性

實(shí)驗(yàn)采用單邊缺口三點(diǎn)彎曲進(jìn)行了臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KIC的 測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5　不同LA-polymer含量對(duì)PF/EP斷裂韌性的影響Fig.5 Effect of LA-polymer content on fracture tougheness value

由圖5可知，空白樣條的KIC為0.35 MPa·m1/2左右，當(dāng)LA-polymer加入量逐漸增加時(shí)，固化物的KIC逐 漸上升，當(dāng)LA-polymer含量為20 質(zhì)量份時(shí)，KIC達(dá)到了0.7 MPa·m1/2左右，較空白樣增加了近1倍，結(jié)果充分說明LA-polymer能夠有效地增韌環(huán)氧樹脂。

2.1.4 斷面形貌以及增韌機(jī)理分析

圖6給出了空白樣以及含LA-polymer 15質(zhì)量份環(huán)氧樹脂固化物拉伸斷面的SEM圖。由圖6（a）可以看出斷面出現(xiàn)較粗大平行光滑的裂紋，裂紋沿破壞力方向（箭頭指示方向）平行發(fā)散，裂紋發(fā)展未能有效阻滯，是明顯的脆性斷裂。而經(jīng)過改性的環(huán)氧樹脂主裂紋變得模糊粗糙，出現(xiàn)裂紋發(fā)散，并出現(xiàn)明顯的屈服，是韌性斷裂。這里可以解釋為L(zhǎng)A-polymer與環(huán)氧樹脂具有良好的相容性，固化體系中的氫鍵濃度在一定含量改性劑存在時(shí)較空白樣明顯增加，破壞過程中LA-polymer中的柔性鏈段能夠有效地吸收和發(fā)散破壞能，交聯(lián)密度的下降也是固化體系柔性增強(qiáng)，韌性增加的原因之一。

圖6　不同LA-polymer含量PF/EP拉伸斷面形貌Fig.6 Tensile fracture surface morphology of PF/EP resin with different content of LA-polymer

2.2 熱降解行為

熱降解在10 ℃/min條件下程序升溫。如圖7所示，LA-polymer的添加一定程度降低了固化體系的耐熱性。表1列出了基本的熱穩(wěn)性參數(shù)，添加量為15質(zhì)量份時(shí)，較未添加者，初始降解溫度Td5（失重率為5%對(duì)應(yīng)的溫度）下降超過了60 ℃。當(dāng)降解率為30%（Td30）時(shí)，2者差距減小到15 ℃以內(nèi)。2者的最大降解速率溫度（Tp） 基本相同。Ts（ 靜態(tài)耐熱性參數(shù)）與IPDT（過程積分耐熱性參數(shù)）的值都表明改性后環(huán)氧澆注體的耐熱性會(huì)明顯下降。值得注意的是，降解溫度在300 ℃左右時(shí)，降解速率對(duì)溫度曲線出現(xiàn)了一個(gè)較小降解峰，這與LA-polymer最大降解溫度［8］相同。由圖7及熱降解參數(shù)的分析可知，LA-polymer與環(huán)氧基體的分解相對(duì)獨(dú)立（300 ℃是LA-polymer的分解，400 ℃則主要以PF/EP基體分解為主）。這說明LA-polymer能夠在基體中形成獨(dú)立的相區(qū)，充分驗(yàn)證了H.Kishi等人［6，7］關(guān)于該體系能夠發(fā)生微觀相分離的結(jié)論。為了深入研究LA-polymer對(duì)PF/EP固化體系降解行為的影響有必要進(jìn)行基本降解動(dòng)力學(xué)分析。

圖7　不同LA-polymer含量對(duì)PF/EP耐熱性的影響Fig.7 Effect of LA-polymer content on thermal stability

Coats-Redfern法（CR法）［13］是最常見及使用的模型法。CR法的動(dòng)力學(xué)方程（式3）如下：

其中g(shù)（α）為固相反應(yīng)的機(jī)理函數(shù)的積分式，常見的機(jī)理函數(shù)f（α）及（α）如表2所示。α為降解反應(yīng)程度，A為指前因子，R為氣體常數(shù)，β為升溫速率，E為活化能。將lg［g（α）/T2］對(duì)1 000/T作線性擬合，降解活化能E從直線的斜率得出，A可從直線的截距得到，通過線相關(guān)系數(shù)R2對(duì)1的趨近程度可以確定有效的反應(yīng)機(jī)理函數(shù)形式。表3列出了CR計(jì)算的結(jié)果，根據(jù)R2結(jié)果可以看出，空白樣機(jī)理函數(shù)可能是Fn型（隨機(jī)成核型），而改性后的固化物機(jī)理函數(shù)變成了Dn型（多維擴(kuò)散型）。

表1　不同固化體系的熱穩(wěn)定性數(shù)據(jù)表1　Thermal stability parameters of different curing systems

表2　大多數(shù)固相反應(yīng)機(jī)理的f（α）與g（α）的表達(dá)式［13］Tab.2 Algebraic expressions of f（α）and g（α）for most solid phase reaction mechanism

3 結(jié)論

（1）適當(dāng)添加LA-polymer能夠有效地增韌PF/EP固化體系，增加柔韌性及拉伸剪切強(qiáng)度。LA-polymer加入量為15質(zhì)量份時(shí)，LA-polymer/PF/EP共混物具有較好的綜合力學(xué)性能。

（2）熱分解的研究驗(yàn)證了LA-polymer能夠在PF/EP中發(fā)生微觀相分離的結(jié)論。LA-polymer與PF/EP基體的降解相對(duì)獨(dú)立，LA-polymer的添加降低耐熱性的同時(shí)，改變了體系的降解動(dòng)力學(xué)模型。

表3　用Coats-Redfern 法計(jì)算的降解動(dòng)力學(xué)參數(shù)Tab.3 The kinetic parameters calculated using the Coats-Redfern（CR） method

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通訊聯(lián)系人：江叔芳（1980-），男，博士研究生。主要從事高分子材料的制備與性能研究。E-mail：jiang.sf@qq.com。

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：中國(guó)分類號(hào)：TQ433.4+37A

文章編號(hào)：1001-5922（2016）07-0051-06

收稿日期：2016-03-29

作者簡(jiǎn)介：鄒路絲（1989-），男，在讀碩士研究生。E-mail：1019435713@qq.com。

Properties of phenolic/epoxy resin curing system modified with acrylic block copolymer

ZOU Lu-si， JIANG Shu-fang， SHEN Rui-di
（Ministry of Education Key Laboratory for the Synthesis and Application of Organic Functional Molecules， College of Chemistry and Chemical Engineering， Hubei University， Wuhan， Hubei 430062， China）

Abstract：The effect of crylic block copolymer（LA-polymer） content on the mechanical properties（tensile strength， lap shear strength and fracture toughness） and the thermal degradation behavior of the phenolic（PF）/epoxy（EP） resin curing system were studied. The morphology characterization of the tensile fracture surfaces and was investigated by SEM and the toughening mechanism was discussed. The Coats-Redfern（CR） method was used to study the influence of LA-polymer on the thermal degradation kinetics of PF/EP resin curing system. The research indicated that the appropriate amount of LA-polymer added not only toughened the PF/EP system， but also retained the bulk tensile strength and improved the flexibility； when the LA-polymer amount was 20 phrs， the lap shear strength was improved by 40 percent. The morphology reults showed that adding LA-polymer achieved the transition from brittle fracture to ductile fracture and the crack development was blunted. The adding LA-polymer decreased the thermal stability and changed the degradation kinetics model.

Key words：epoxy resin； phenolic resin； acrylic block copolymer； modification