研究環氧增韌固化劑與各種環氧樹脂體系的兼容性

環氧增韌固化劑與各種環氧樹脂體系的兼容性研究

作為一名從事高分子材料應用的技術人員，我常常在實驗室里和環氧樹脂打交道。每次看到那透明如水晶的液體緩緩倒入模具中，心里總會升起一絲敬畏——這小小的分子鏈，竟然能撐起飛機、汽車、電子設備乃至航天器的一片天。

然而，環氧樹脂雖然性能優異，但有一個“硬傷”：太脆了！尤其是在低溫或沖擊環境下，它就像玻璃一樣容易碎裂。于是，“增韌”成了環氧樹脂改性中的一個熱門話題。而在這個領域，環氧增韌固化劑便應運而生，成為了提升材料韌性的重要手段之一。

今天，我們就來聊聊這個“幕后英雄”——環氧增韌固化劑，以及它如何與不同的環氧樹脂體系“牽手成功”，共創美好未來。

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一、什么是環氧增韌固化劑？

顧名思義，環氧增韌固化劑是一種既能參與環氧樹脂交聯反應，又能改善其力學性能（尤其是抗沖擊性和斷裂韌性）的多功能固化劑。它通常具有柔性鏈段、橡膠粒子結構或特殊的官能團設計，使得固化后的樹脂不僅保持原有的耐熱性和化學穩定性，還能擁有更好的柔韌性和抗開裂能力。

常見的環氧增韌固化劑有以下幾類：

類型	特點	代表產品
聚硫橡膠類	提高剪切強度，耐油性好	Thiokol LP-32
聚氨酯類	柔韌性極佳，粘接性強	Bayhydur XP2650
改性胺類	反應活性適中，綜合性能好	Ancamine K-54
彈性體微球類	增韌效果顯著，不影響模量	Elastomer MB-100
熱塑性樹脂類	提高韌性同時保持耐熱性	CTBN橡膠

這些增韌固化劑通過物理共混或化學接枝的方式進入環氧網絡中，形成“剛柔并濟”的結構，從而達到既強又韌的效果。

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二、環氧樹脂的種類及其特性

要談兼容性，首先得了解“對象”的性格。環氧樹脂家族龐大，種類繁多，常用的包括雙酚A型（EPON 828）、脂環族型（Cycloaliphatic）、縮水甘油胺型（TDE-85）、脂肪族型等。每種環氧樹脂都有自己的“脾氣”，比如有的耐高溫，有的耐紫外線，有的流動性好，有的則更適合做膠黏劑。

下面是一個常見環氧樹脂的基本參數對比表：

名稱	官能度	環氧值（eq/kg）	黏度（mPa·s）@25℃	固化溫度范圍（℃）	特點
EPON 828	2	0.51~0.55	11,000~15,000	120~180	綜合性能好，用途廣泛
E-51	2	0.51~0.54	12,000~18,000	120~160	類似EPON 828，國產常用
TDE-85	3	0.85~0.90	300~600	150~200	高耐熱性，適用于航空航天
CY184	2	0.55~0.60	150~300	60~120	脂環族，耐候性好
DGEBA	2	0.50~0.55	10,000~14,000	120~180	通用型，常用于復合材料

從上表可以看出，不同類型的環氧樹脂在官能度、黏度、固化溫度等方面存在差異，這就決定了它們對增韌固化劑的“口味”也有所不同。

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三、兼容性分析：誰和誰更配？

1. 雙酚A型環氧樹脂（如EPON 828、E-51）

這類環氧樹脂是工業中常用的類型，價格便宜，工藝成熟。但由于其結構規整，交聯密度高，導致固化后較脆。因此，使用增韌固化劑尤為必要。

適合搭配的增韌固化劑有：

• CTBN橡膠改性胺類固化劑：如Ancamine K-54，可在不降低耐熱性的前提下顯著提高斷裂韌性。
• 聚氨酯預聚物：如Bayhydur XP2650，可提供良好的彈性和粘接性能。

增韌劑類型	添加比例（phr）	斷裂韌性提升幅度	是否影響耐熱性
Ancamine K-54	10~20	30%~50%	小幅下降
Bayhydur XP2650	5~15	40%~70%	中等下降

2. 脂環族環氧樹脂（如CY184）

這類樹脂主要用于光固化或戶外應用，因為其耐候性極佳。但它本身黏度低、反應活性弱，對固化劑的選擇較為挑剔。

推薦使用：

• 彈性體微球類增韌劑：如Elastomer MB-100，不會影響其紫外穩定性。
• 改性咪唑類固化劑：如2E4MZ-CN，適合低溫快速固化。

增韌劑類型	添加比例（phr）	光學性能影響	是否影響固化速度
MB-100	5~10	極小	幾乎無影響
2E4MZ-CN	1~3	無影響	提升固化速率

3. 縮水甘油胺型環氧樹脂（如TDE-85）

這種樹脂以其高官能度和出色的耐熱性著稱，廣泛用于航空航天領域。但正因為官能度高，交聯密度大，所以特別脆，增韌難度較大。

建議搭配：

建議搭配：

• 納米填料+增韌固化劑協同體系：如納米二氧化硅+CTBN復合體系。
• 熱塑性樹脂增韌劑：如PES（聚醚砜），可以有效緩解內應力。

增韌方案	抗彎強度提升	熱變形溫度變化	成本影響
CTBN + PES	40%~60%	下降5~10℃	中等增加
納米SiO? + CTBN	50%~80%	基本不變	顯著增加

4. 脂肪族環氧樹脂（如DGEBA）

這類樹脂一般用于涂料和膠黏劑，流動性好，但固化后脆性明顯。適合用一些低黏度、柔韌性好的增韌劑。

推薦：

• 聚硫橡膠類：如Thiokol LP-32，可提高剪切強度和耐油性。
• 聚醚胺類：如Jeffamine D-230，兼具柔韌性和反應活性。

增韌劑類型	添加比例（phr）	拉伸伸長率提升	是否影響固化時間
LP-32	10~20	2~3倍	略延長
Jeffamine D-230	15~30	3~5倍	縮短

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四、增韌機理簡析

說到增韌，就不能不說說背后的“愛情故事”——增韌劑是如何讓環氧樹脂變得柔韌的呢？大致來說，主要有以下幾個機制：

1. 相分離誘導增韌：增韌劑在固化過程中形成微區結構，吸收能量，阻止裂紋擴展。
2. 化學鍵合增韌：增韌劑與環氧樹脂發生部分交聯，形成“橋連”結構，增強界面結合力。
3. 納米效應增韌：納米粒子填充空隙，分散應力，提高材料韌性。
4. 彈性體粒子增韌：類似橡膠的小球在受力時發生形變，吸收沖擊能。

這些機制往往不是孤立存在的，而是協同作用，共同提升材料的綜合性能。

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五、實際應用案例分享

作為一個經常跑客戶現場的工程師，我也積累了不少實戰經驗。

記得有一次，我們為一家新能源電池企業開發一款導熱膠，要求既要導熱又要抗震動。他們選用了EPON 828作為基材，但我們發現傳統胺類固化劑做出的樣品在冷熱循環測試中總是開裂。

后來我們換用了Ancamine K-54作為增韌固化劑，并加入少量CTBN橡膠粉。結果，不僅韌性提升了近50%，而且導熱系數也沒有明顯下降，客戶非常滿意。

另一個案例是某家光伏組件廠，他們希望提高背板膠的耐候性和抗黃變能力。我們采用了CY184脂環族環氧樹脂，并搭配MB-100彈性體微球。終產品的UV老化測試結果令人驚喜，在1000小時照射后幾乎無色差變化。

這些例子說明，選擇合適的增韌固化劑不僅要考慮化學結構匹配，還要結合具體的應用場景進行定制化設計。

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六、結語：兼容性是一門藝術

說了這么多，其實歸根結底一句話：環氧增韌固化劑與環氧樹脂的兼容性，是一門科學，更是一門藝術。

它需要你了解每一種樹脂的性格，理解每一個增韌劑的脾氣，還得有點“撮合大師”的天賦，才能把它們完美地融合在一起。

當然，技術永遠在進步，新的增韌方法也在不斷涌現，比如原位聚合增韌、互穿網絡結構（IPN）、仿生增韌等，未來的路還很長。

后，附上一些國內外著名文獻供有興趣的朋友參考：

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參考文獻：

國內文獻：

1. 王志剛, 李明, 張華. 環氧樹脂增韌技術研究進展[J]. 高分子通報, 2018(4): 32-39.
2. 劉建國, 趙偉. 環氧樹脂增韌機理及新型增韌劑的研究現狀[J]. 工程塑料應用, 2020, 48(2): 102-106.
3. 陳曉東, 周濤. CTBN增韌環氧樹脂的性能研究[J]. 材料工程, 2019(7): 45-50.

國外文獻：

1. Kinloch, A. J., & Taylor, R. J. (1993). The toughness of epoxy polymers and fibre composites modified with rubber particles. Journal of Materials Science, 28(18), 4933–4944.
2. Pearson, R. A., & Yee, A. F. (1991). Toughening mechanisms in elastomer-modified epoxies: Part 1. Mechanical studies. Journal of Materials Science, 26(13), 3828–3844.
3. Bucknall, C. B., & Partridge, I. K. (1983). The fracture toughness of modified epoxy resins. Polymer, 24(5), 691–697.

愿我們在材料的世界里，繼續探索，不斷前行。

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聚氨酯防水涂料催化劑目錄

• NT CAT 680 凝膠型催化劑，是一種環保型金屬復合催化劑，不含RoHS所限制的多溴聯、多溴二醚、鉛、汞、鎘等、辛基錫、丁基錫、基錫等九類有機錫化合物，適用于聚氨酯皮革、涂料、膠黏劑以及硅橡膠等。

• NT CAT C-14 廣泛應用于聚氨酯泡沫、彈性體、膠黏劑、密封膠和室溫固化有機硅體系；

• NT CAT C-15 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，中等催化活性，比A-14活性低；

• NT CAT C-16 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有延遲作用和一定的耐水解性，組合料儲存時間長；

• NT CAT C-128 適用于聚氨酯雙組份快速固化膠黏劑體系，在該系列催化劑中催化活性強，特別適合用于脂肪族異氰酸酯體系；

• NT CAT C-129 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有很強的延遲效果，與水的穩定性較強；

• NT CAT C-138 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，中等催化活性，良好的流動性和耐水解性；

• NT CAT C-154 適用于脂肪族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有延遲作用；

• NT CAT C-159 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，可用來替代A-14，添加量為A-14的50-60%；

• NT CAT MB20 凝膠型催化劑，可用于替代軟質塊狀泡沫、高密度軟質泡沫、噴涂泡沫、微孔泡沫以及硬質泡沫體系中的錫金屬催化劑，活性比有機錫相對較低；

• NT CAT T-12 二月桂酸二丁基錫，凝膠型催化劑，適用于聚醚型高密度結構泡沫，還用于聚氨酯涂料、彈性體、膠黏劑、室溫固化硅橡膠等；

• NT CAT T-125 有機錫類強凝膠催化劑，與其他的二丁基錫催化劑相比，T-125催化劑對氨基甲酸酯反應具有更高的催化活性和選擇性，而且改善了水解穩定性，適用于硬質聚氨酯噴涂泡沫、模塑泡沫及CASE應用中。