熱固樹脂體系流變特征及變化規(guī)律

胡瑋(江蘇恒神股份有限公司，江蘇 丹陽 212300)

0 引言

熱固樹脂的全稱為熱固性能丙烯酸樹脂材料，在該體系中，丙烯酸屬于其核心構(gòu)成物質(zhì)，多種物質(zhì)在材料中呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)的結(jié)構(gòu)。此種結(jié)構(gòu)通常為不溶性聚合物，因此熱固樹脂體系也被稱為交聯(lián)式或反應(yīng)式樹脂。由于樹脂體系具備一定熱固性，因此其中含有大量的官能團。在涂漆制作過程中，通過在樹脂中加入三聚氰胺、聚合氨等物質(zhì)，使官能團發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一種特殊的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，最終達到不溶于水、不易熔化等效果。而通過對熱固樹脂體系進行高固或處理合成工藝，可使熱固樹脂體系中的相對分子量含量下降到1.0×103～2.0×103之間。因此，在正常施工黏度條件下，熱固樹脂體系中的固體成分含量可達25.0%～75.0%，也正由于熱固樹脂體系具有此種高硬度、高耐熱性等優(yōu)勢，使其在澆筑過程中可呈現(xiàn)多元化形態(tài)。相比于熱塑性樹脂材料，熱固樹脂體系中含有的分子量相對較低，但由于熱固樹脂體系的使用成本較低，因此熱固樹脂體系成為了有關(guān)單位的重點研究材料。為了進一步掌握熱固樹脂體系的特性，文章將以此材料作為研究對象，對其流變特征與變化規(guī)律進行深入的研究與挖掘，以此實現(xiàn)熱固樹脂材料在市場的廣泛應(yīng)用。

1 熱固樹脂體系的應(yīng)用

由于本文研究的熱固樹脂體系材料中含有大量的官能團，且官能團中大多由烯類單體構(gòu)成，此過程經(jīng)過了制漿與澆筑等多種工藝行為。為此，熱固樹脂體系材料的常規(guī)應(yīng)用為運輸車輛風(fēng)擋、飛機機艙的艙蓋等。

熱固樹脂體系通常呈纖維狀、半乳液狀、溶液狀，在產(chǎn)品生產(chǎn)或使用過程中，需要對其進行加熱烘烤行為，以此將半乳狀的材料進行固化或鍍膜處理，從而形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[1]。在此過程中，交聯(lián)的方式可分為反應(yīng)式交聯(lián)與自身行為交聯(lián)等。當(dāng)對其進行處理時，溫度到達某一指定數(shù)值后(此行為可采用添加處理催化劑代替)，樹脂中的官能團相互之間會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以此實現(xiàn)熱固樹脂體系固化。因此，除上述提出的應(yīng)用，熱固樹脂體系也可應(yīng)用于紡織物的制作、紙張的處理、皮革物件的制作、工業(yè)涂漆的制作與建筑施工涂料的制作等。

2 熱固樹脂體系流變特征

2.1 動態(tài)黏度特性

文章在對熱固樹脂體系的流變特征研究中，考慮到材料的官能團中含有大量的乙烯或乙烯聚合物，因此熱固樹脂體系發(fā)生流變行為時，其不同濃度的聚合物黏度將會發(fā)生變化[2]，此種變化形式如圖1所示。

圖1 熱固樹脂體系流變黏度特征

圖1顯示當(dāng)熱固樹脂體系材料在加熱狀態(tài)下時，乙烯或乙烯聚合物的黏度隨著溫度的升高先降低，再呈現(xiàn)升高狀態(tài)。當(dāng)溫度處于125 ℃時，樣品的黏度呈現(xiàn)趨近穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)溫度超過225 ℃時，樣品的黏度急劇上升[3]。因此可以認為，熱固樹脂體系在溫度變化的條件下，材料基本呈現(xiàn)一種液態(tài)或乳化狀態(tài)的形態(tài)。而當(dāng)溫度處于125～225 ℃階段時，其液態(tài)的反應(yīng)較不活躍，當(dāng)溫度持續(xù)上升至225 ℃時，熱固樹脂材料自身發(fā)生交聯(lián)固化反應(yīng)，無論是反應(yīng)速率和反應(yīng)效果均呈現(xiàn)急劇增加的狀態(tài)，也因此導(dǎo)致材料黏度快速上升。

綜合上述分析，產(chǎn)生此種流變特征的主要原因是：在溫度不斷升高的條件下，熱固樹脂體系中的乙烯或聚乙烯官能團逐步呈現(xiàn)溶解狀態(tài)，并與樹脂產(chǎn)生共混聯(lián)合反應(yīng)，從而導(dǎo)致樹脂體系流動黏度升高。而當(dāng)體系黏度達到峰值或最高時，若選擇溫度持續(xù)上升，屬于對體系中的乙烯分子運動能力進行了加劇處理，會導(dǎo)致在一定溫度的條件下，熱固樹脂體系的動態(tài)黏性綜合性能呈現(xiàn)下降趨勢[4]。而當(dāng)溫度進一步上升超過225 ℃時，熱固樹脂體系自身發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，黏度呈現(xiàn)急劇上升狀態(tài)。因此可以推測，熱固樹脂體系中的乙烯或與其聚合物可直接影響其體系的流變特性，并且此種反應(yīng)與溫度具有一定的直接關(guān)系。

2.2 等溫流變特性

除上述提出的動態(tài)黏度特性外，熱固樹脂體系還具備等溫流變特性，即熱固樹脂體系的流變特性受到其固化程度的影響，當(dāng)環(huán)境溫度呈現(xiàn)上升狀態(tài)時，分子運動活躍，分子間的間距變大，使得熱固樹脂體系分子運動空間被拓寬，更加有利于熱固樹脂體系的流動，此時體系整體流變系數(shù)增強。同時，在等溫條件下，熱固樹脂體系中的羥基基團會受到交聯(lián)的影響，從而發(fā)生固化作用[5]。此時，體系的固化度提升，影響熱固樹脂體系中的分子鏈運動，從而導(dǎo)致整體流變能力較差，在此情況下，熱固樹脂體系整體黏度升高。

采用計算公式log(y)=a+bx，進行熱固樹脂體系等溫流變曲線的擬合與繪制。公式中y表示在等溫條件下，對熱固樹脂體系檢測的流變系數(shù)(黏度)；x表示等溫條件發(fā)生時間；a與b分別表示流變相關(guān)參數(shù)。根據(jù)熱固樹脂體系中乙烯-乙烯聚合物(PES)的不同濃度，使用上述計算公式，對等溫流變特性的相關(guān)數(shù)值進行擬合處理[6]。結(jié)果如表1所示(擬合過程考慮到PES的濃度含量通常在0%～40.0%之間)。

表1 等溫流變參數(shù)擬合結(jié)果

表1中，R表示等溫流變參數(shù)擬合結(jié)果。根據(jù)表1中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，相關(guān)系數(shù)R的具體值無限趨近于1.0。這一數(shù)值可表示上述提出擬合計算公式的應(yīng)用是具有實際意義的，公式中a可以使用多項式的方式表示。

分析相關(guān)參數(shù)a與乙烯-乙烯聚合物之間的關(guān)系，用下述方程式表示，Y=A+B1X+B2X2。公式中Y表示為相關(guān)參數(shù)a；其中X表示為乙烯-乙烯聚合物(PES)濃度(計算單位為%)[7]。綜合公式可將相關(guān)參數(shù)a與濃度含量的關(guān)系繪制成如圖2所示的關(guān)系圖。

圖2 a與PES的關(guān)系

綜合圖2可知，熱固樹脂體系流變特征由常數(shù)參數(shù)a決定，隨著乙烯—乙烯聚合物含量的增加，參數(shù)a呈現(xiàn)緩步提升趨勢，這表明當(dāng)熱固樹脂體系中PES的數(shù)量達到一定數(shù)值后，體系整體流變速度的增長不會受到相關(guān)因素的影響，而產(chǎn)生此種效應(yīng)的最終結(jié)果是由于PES中的羥基引起交聯(lián)固化反應(yīng)。

3 熱固樹脂體系流變變化規(guī)律

綜合本文上述對熱固樹脂體系流變特征的分析可知，體系在常溫狀態(tài)下呈現(xiàn)乳化狀或黏稠狀，結(jié)合溫度與體系黏度之間的關(guān)系可知，熱固樹脂體系呈現(xiàn)典型的固化特征。因此，應(yīng)將熱固樹脂體系的儲存溫度控制在20.0 ℃±0.5 ℃左右，結(jié)合室溫濕度的變化，將其控制在10.0%～15.0%之間[8]。綜合有關(guān)研究結(jié)果可知，熱固樹脂體系在恒溫條件下，隨著室溫儲存溫度的提升，其樹脂的黏度呈現(xiàn)顯著增加趨勢，而常用的拐點法可用于確定在不同儲存時間下熱固樹脂體系的凝膠點(/也可稱其成為凝固時間)。綜合室溫條件下熱固樹脂體系的儲存時間及有關(guān)實驗調(diào)查數(shù)據(jù)，繪制的結(jié)果圖如圖3所示。

圖3 室溫存儲條件下熱固樹脂體系的儲存時間

根據(jù)圖3可知，在室溫存儲條件下，熱固樹脂體系的儲存時間相對較長，這也代表熱固樹脂體系的流變變化較不顯著，盡管逐步呈現(xiàn)固化狀態(tài)，但相對變化較為緩慢。

4 結(jié)語

文章以熱固樹脂材料為研究對象，對其體系的流變特征及變化規(guī)律進行了深入的研究，結(jié)合熱固樹脂體系材料的提出與本文對材料有關(guān)性能的研究，解決了傳統(tǒng)樹脂材料存在的缺點，實現(xiàn)了對涂膜綜合機械性能與耐腐蝕性能的提升。常規(guī)情況下，熱固樹脂體系中的相對分子量含量在1.0×104～2.0×104之間，因此熱固樹脂體系不僅具有普通樹脂材料具備的性能，同時也具有其他顯著的優(yōu)越性能。因此，在后期對熱固樹脂材料的研究與應(yīng)用中，可將本文的研究成果作為依據(jù)，將流動度作為參照，對有關(guān)材料的施工工藝進行指導(dǎo)，以此保障使用熱固樹脂材料進行構(gòu)件制作的質(zhì)量，實現(xiàn)熱固樹脂材料在市場內(nèi)更加廣泛地應(yīng)用，解決傳統(tǒng)材料在使用中存在的工藝復(fù)雜、使用成本高等問題。