双酚-S环氧树脂的合成与固化反应动力学及热性能的研究

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本文合成了双酚-S型环氧树脂,研究了双酚-S(BPS)和环氧氯丙烷合成反应的动力学与机理。结果表明,在碱性环境中,双酚-S与环氧氯丙烷的反应动力学和分子链末端的环氧基团与酚羟基的反应动力学均为二级反应。对于双酚-S、双酚-A(BPA)和环氧氯丙烷三元反应体系,在反应初期,BPA与环氧氯丙烷的反应活性高于BPS;而在反应后期,含BPS的分子链末端环氧基的反应活性又高于含BPA的分子链末端的环氧基。 本文较系统地研究了双酚-S环氧树脂的固化过程。环氧树脂的固化过程比较复杂,其动力学方程主要有n级反应和自催化反应历程两种不同的形式。国内学者大多按n级反应处理,而国外学者则按自催化反应处理。服从n级反应历程时,其最大反应速率出现在t=0时。而对于自催化机理,Kamal提出了唯象公式,即Kamal方程,方程中有两个反应速率常数k1、k2和两个反应级数m、n,m+n为总的反应级数。当t=0时,反应转化率α=0,反应速率dα/dt=k1,故k1为t=0时反应速率常数,k2为t>0时反应速率常数,最大反应速率不出现在t=0时。 我们用差示扫描量热法(DSC)研究了双酚-S环氧树脂(BPSER)与胺和酸酐五种不同的固化剂固化反应的动力学。DSC测得的数据表明,反应速率的最大值并不出现在t=0的时刻,而在转化率为40%左右时反应速率最大,所以服从自催化反应历程。固化反应主要分两个阶段,前期是由化学动力学控制的,实验数据用Kamal方程处理可以得到很好的解释。k1、k2的值随固化反应温度的升高呈增大的趋势,总反应级数m+n在2~3之间。反应在不同固化温度下进行时,随反应温度的升高,da/dt的最大值逐渐增大,而达到最大值的时间则逐渐缩短。转化率达到40%左右后,由于交联程度增加,分子量迅速增大,分子间扩散变慢,反应进入由扩散作用控制的第二阶段;并且,进入扩散阶段的临界转化率随反应温度的升高而增大。 BPSER/固化剂体系在不同固化程度下的玻璃化温度(Tg)可以由动态力学谱仪(TBA)测得。结果表明固化体系的玻璃化温度随反应程度的增加而升高。由于该 摘 要体系分子结构中存在耐热的七O厂基团,所以在固化程度相同的条件下,BPSER体系的玻璃化温度明显高于BPAER。完全固化的双酚-S环氧树脂的玻璃化温度比相同体系的双酚-A环氧树脂高 40刁0℃。另外,还利用热重分析仪厂GA研究了完全固化后的BPSER/固化剂体系热分解的动力学,结果说明热分解呈表观一级反应。
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