實用的環氧樹脂增韌技術

周建文，王 洪

（中藍晨光化工研究設計院有限公司，四川 成都 610041）

環氧樹脂具有優異的力學性能、較低收縮率、耐化學性和電絕緣性等優點，在電子電氣、機械、建筑乃至航空航天等諸多領域得到廣泛應用。由于其具有較高的交聯密度，故而未經增韌的環氧樹脂存在質脆、耐疲勞性和抗沖擊韌性較差等缺點，難以滿足工程技術的要求，其應用受到一定限制。環氧樹脂的增韌改性一直是業界研究的熱點，長期以來國內外對此進行了許多有益的研究和實用技術開發。

例如，采用反應型液體橡膠[1，2]能夠提高環氧體系的斷裂能、沖擊性能；添加熱塑性樹脂[3]可以改善材料的彎曲強度、沖擊性能；添加熱致性液晶[4]也能有效提高環氧樹脂的沖擊強度，當然，還可采取核/殼聚合物[5]增 韌改性、石墨烯[6]增韌改性以及納米粒子填料[7]增韌改性等方法。

在各種各樣環氧增韌改性研究中，有些改性技術具有實用性，有些前沿研究具有新穎性和前瞻性，但由于技術難度或者成本因素，較難在常規環氧產品尤其是民用產品開發中獲得廣泛應用。

中藍晨光化工研究設計院有限公司長期致力于環氧樹脂應用研究，針對環氧樹脂增韌專門開發了幾種增韌材料，這些增韌樹脂已經商品化，本研究即對這些實用增韌技術做一個總結和對比，以期對有此需要配方的工程師提供一些建議和幫助。

1　 實驗部分

1.1　主要原材料

主要原材料如表1所示。

表1　主要原材料Tab.1　Main raw materials

1.2　實驗儀器或設備

INSTON 5569電子萬能材料試驗機，美國INSTRON公司（測試剪切強度、壓縮強度）；INSTON 5967試驗機，美國INSTRON公司（測試拉伸強度、斷裂伸長度）；INSTRON WOLPERR沖擊試驗機，美國INSTRON公司（測試沖擊強度）；INSTRON 4302試驗機，美國INSTRON公司（測試剝離強度）；LX-D橡膠硬度計，無錫市前洲測量儀器廠；DSC 200 F3差熱掃描量熱儀，德國NETZSCH公司。

1.3　制備工藝

1.3.1增韌環氧樹脂的制備

將增韌劑與環氧樹脂進行反應制備成改性環氧樹脂，不同增韌劑制備改性環氧樹脂的方法不盡相同，本研究不做專門討論。為便于對比，所有環氧樹脂中增韌劑質量分數均為18%，如表2所示。

表2　增韌環氧樹脂組成Tab.2　Compositions of toughened epoxy resins

1.3.2膠粘劑固化及試樣制備

按規定配比將膠粘劑A、B組分混勻后，做成規定試樣，均按照80 ℃/3 h進行固化。

1.4　性能測試

（1）剪切強度：按照GB/T 7124—2008《膠粘劑拉伸剪切強度測定方法（剛性材料對剛性材料）》標準，采用100 mm×25 mm×2 mm碳鋼試片粘接測試，粘接面長度12.5 mm。

（2）沖擊強度、拉伸強度、斷裂伸長率和壓縮強度：按照GB/T 2567—2008 《樹脂澆鑄體性能試驗方法》標準，采用本體澆鑄材料測試。其中，沖擊強度試樣為80 mm×10 mm×4 mm，無缺口；拉伸強度和斷裂伸長率試樣為啞鈴形狀，外形尺寸250 mm×20 mm×4 mm，拉伸部分寬度10 mm；壓縮強度采用圓柱形試樣，Φ10 mm×25 mm。

（3）玻璃化轉變溫度（Tg）: 采用差示掃描量熱法（DSC）進行測定。

（4）剝離強度：按照GB/T 2791—1995《膠粘劑T剝離強度試驗方法撓性材料對撓性材料》標準，采用200 mm×25 mm×0.3 mm鋁箔粘接測試，粘接面長度150 mm。

2　 結果與討論

2.1　增韌劑對硬度、壓縮強度等性能的影響

表3是采用改性胺固化劑5210B與上述幾種增韌劑配伍得到的改性環氧樹脂固化的性能對比。由表3可知：與未進行增韌的體系相比，硬度均略有下降，其中CTPE和CTBN改性體系下降比較明顯，而CTPF和CSP變化不大。

2.2　增韌劑對壓縮性能及彈性模量的影響

由表3可知：幾種增韌劑對壓縮性能的影響是明顯的，其中未增韌體系為剛性明顯的屈服破壞，且壓縮強度較高；幾種增韌體系得到的是壓縮25%的數據，壓縮強度均有損失，保持率為CSP＞CTBN＞CTPF＞CTPE，彈性模量的數據也有類似的規律。

2.3　增韌劑對耐熱性的影響

使用增韌劑在改善熱固性材料韌性的同時，往往會降低體系的耐熱性能。這可以用Tg來 表征體系的耐熱性能。從表3可以看到，幾種增韌體系中，CTPE、CTPF對體系的耐熱性有較大影響，而CTBN、CSP體系對耐熱性能影響不顯著，可以在許多對耐熱性有要求的場合選用。

2.4　增韌劑對沖擊強度、拉伸強度和斷裂伸長率的影響

環氧樹脂中引入增韌劑一個重要作用是提高材料的抗沖擊性能，可以從沖擊強度、斷裂伸長率等不同側面表征材料的韌性，表4對此加以歸納。為便于得到適宜的澆鑄體試件，采用了低黏度的固化劑EC301。

表3　增韌劑對硬度、壓縮等性能的影響Tab.3　Effects of toughening agents on performance of hardness and compressive strength etc.

表4　增韌劑對沖擊強度、斷裂性能的影響Tab.4　Effects of toughening agents on impact strength and ultimate properties

表5　增韌劑對沖擊性能改善比例Tab 5　Effects of toughening agents on impact property improvement

幾種增韌劑對沖擊強度都有超過100%的提升，而CTPF體系甚至超過200%，如表4、表5所示。斷裂伸長率和剝離強度從另一個側面表征了材料的韌性，增韌體系對其影響與對沖擊強度有類似的變化趨勢。總體而言，增韌后的環氧樹脂在沖擊強度、剝離強度、斷裂伸長率均有明顯改善。

而對拉伸強度的影響，增韌后的體系拉伸強度均有所下降，如表4所示。拉伸強度保持率為CSP＞CTPF＞CTBN＞CTPE。

3　 結論

（1）CTPE、CTPF、CTBN和CSP等幾種增韌劑對環氧樹脂都有明顯的增韌效果。

（2）對耐熱性的影響而言，CTPE和CTPF會導致Tg有 一定程度地下降，而CTBN和CSP對耐熱性基本上沒有不利影響。

（3）增韌導致壓縮強度、彈性模量降低，保持率依次為CSP＞CTBN＞CTPF＞CTPE。

（4）對沖擊強度的提高，依次為CTPF＞CSP＞CTPE＞CTBN，其中，CTPF改性樹脂沖擊強度提高了257.2%；

（5）增韌導致拉伸強度降低，保持率依次為CSP＞CTPF＞CTBN＞CTPE。