一种粉煤灰基环氧树脂潜伏性固化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及环氧树脂类粘合剂的固化剂，具体属于一种粉煤灰基环氧树脂潜伏性固化剂及其制备方法。
背景技术
所谓潜伏性固化剂，是指加入到环氧树脂中与其组成的单组分体系在室温下具有一定的贮存稳定性，而在加热、光照、湿气、加压等条件下能迅速进行固化反应的固化剂。潜伏性固化剂作为环氧树脂的一种常用固化剂，经常与环氧树脂结合应用到各个领域。
现在常用的潜伏性固化剂有双氰胺类、咪唑类和微胶囊类等潜伏性固化剂。双氰胺类固化剂很早就被用作于粉末涂料、胶粘剂等领域，双氰胺与环氧树脂混合后室温下贮存期可达半年之久，但双氰胺单独用作环氧树脂固化剂时固化温度很高，一般在150～170℃之间，在此温度下许多器件及材料由于不能承受这样的温度而不能使用，或因为生产工艺的要求而必须降低单组分环氧树脂的固化温度。咪唑、2-甲基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑、2-苯基咪唑等咪唑类固化剂是一类高活性固化剂，在中温下短时间即可使环氧树脂固化，因此其与环氧树脂组成的单组分体系贮存期较短，必须对其进行化学改性，在其分子中引入较大的取代基形成具有空间位阻的咪唑类衍生物，或与过渡金属Cu、Ni、Co、Zn等的无机盐反应生成相应的咪唑盐络合物，才能成为在室温下具有一定贮存期的潜伏性固化剂。微胶囊类环氧树脂潜伏性固化剂实际上是利用物理方法，将室温双组分固化剂采用微细的油滴膜包裹，形成微胶囊，加入到环氧树脂中后将固化剂的固化反应活性暂时封闭起来，而通过加热、加压等条件使胶囊破裂，释放出固化剂，从而使环氧树脂固化。由于制备工艺要求严格，胶囊膜的厚度对贮存、运输和使用会带来不同程度影响。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种粉煤灰基环氧树脂潜伏性固化剂及其制备方法，所述粉煤灰基潜伏性固化剂储存周期长，稳定性高，分散性好，可以在高温快速固化，也可以在中温缓慢固化，在环氧树脂体系参与固化后力学性能更佳，可起到固化剂和填料的双重作用。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：
一种粉煤灰基环氧树脂潜伏性固化剂，将羟基化的粉煤灰与kh550硅烷偶联剂改性后再由3,5-二氨基苯甲酸超支化，最后再由活性有机酸进行酰胺化，分离干燥后就得到粉煤灰基环氧树脂潜伏性固化剂。
所述的潜伏性固化剂的制备方法，包括如下步骤：
1)羟基化粉煤灰的制备：在反应釜中提前配制400-500质量份的浓度2-3mol/L的氢氧化钠水溶液，然后加入50-60质量份的粉煤灰，快速搅拌充分分散；然后在100-120℃、配有冷凝回流条件下机械搅拌4h，所得混合物冷却至室温；抽滤，产物洗涤至滤液pH值到10附近；滤饼在180℃的鼓风干燥箱中烘干12h得到羟基化的粉煤灰；
2)硅烷化粉煤灰的制备：称量50-60质量份干燥好的羟基化粉煤灰加入到带有加热、冷凝和氮气保护的反应釜中，使其在150-200质量份的N-甲基吡咯烷酮中充分分散；将羟基化粉煤灰质量15-20％的硅烷偶联剂kh550溶解到20-30质量份的N-甲基吡咯烷酮中配制成kh550/吡咯烷酮溶液；将kh550/吡咯烷酮溶液分3次加入到羟基化粉煤灰分散液中；然后在氮气保护和回流冷凝条件下，100-120℃机械搅拌反应3-5h；冷却至室温，抽滤，甲醇或乙醇洗涤，充分干燥即得到硅烷化粉煤灰；
3)超支化粉煤灰的制备：在反应釜中，将50-60质量份3,5-二氨基苯甲酸溶解在50-60质量份的N-甲基吡咯烷酮中，然后加入50-60质量份的硅烷化粉煤灰，再加入5-10质量份的吡啶和5-10质量份的磷酸三苯酯，充分混匀；反应釜升温到140-180℃，氮气保护、冷凝回流下反应4-6h；冷却至室温后，将混合物倒到100-150质量份的甲醇溶液中，得到沉淀，抽滤分离，滤饼用甲醇洗涤，充分干燥即得到超支化接枝的粉煤灰；
4)酰胺化粉煤灰的制备：取5-10质量份的超支化粉煤灰和15-30质量份的有机酸加入到反应釜中，在氮气氛围和机械搅拌下100-160℃内反应3-5h，反应中用真空泵将反应生成的水分除去；待反应液冷却至室温，用无水乙醇洗涤2-3次，充分干燥即得到酰胺化粉煤灰，即粉煤灰基环氧树脂潜伏性固化剂。
所述的有机酸可以是乙酸、羟基乙酸、马来酸、丙烯酸中的一种，优选使用丙烯酸。
本发明的有益效果：本发明的粉煤灰基环氧树脂潜伏性固化剂本质上是粉煤灰的有机接枝改性，原料为燃煤电厂产生的固体废弃物，非常廉价易得，在经过有机改性后可以在环氧树脂体系中均匀分散，与环氧树脂混合构成粘合剂体系在室温下具有一定的储存稳定性，固化后具有非常高的力学性能。本发明的粉煤灰基环氧树脂潜伏性固化剂兼顾了固化剂和填料的作用，在应用时可以减少或者不外加填料。
附图说明
图1粉煤灰基环氧树脂潜伏性固化剂的制备流程图
图2经不同质量比的对苯二甲酸超支化接枝前后的硅烷化粉煤灰的红外光谱图，其中上图为全图，下图为局部放大图
图3不同比例超支化前后粉煤灰红外谱图
图4实施例1与等质量份的环氧树脂混合后的DSC升温曲线
图5实施例2与等质量份的环氧树脂混合后的DSC升温曲线
图6实施例3与等质量份的环氧树脂混合后的DSC升温曲线
图7对比例1与等质量份的环氧树脂混合后的DSC升温曲线
具体实施方式
本发明所涉及的主要反应物及反应原理如下：
(一)反应物
(1)粉煤灰，主要元素：Si、Al、C、O、H；细度1200目；产地：山西省朔州市王平电厂。
(2)硅烷偶联剂kh550(γ―氨丙基三乙氧基硅烷)，分子式：NH2CH2CH2CH2Si(OC2H5)3；产地：南京曙光化学制品有限公司。
(3)3,5-二氨基苯甲酸，分子式：C7H8N2O2；产地：邯郸市华骏化工有限公司。
(4)丙烯酸，分子式：C3H4O2；产地：天津市大茂化学试剂厂。
(二)化学反应方程式及反应原理，见图1粉煤灰基环氧树脂潜伏性固化剂的制备流程图。
以下对本发明的原理和技术特征结合具体实施例进一步解释说明，并非用于限定本发明的保护范围。
实施例1
在反应釜中加入5L浓度为3mol/L的氢氧化钠水溶液，然后加入600g的粉煤灰，快速搅拌充分分散；然后在100-120℃、配有冷凝回流条件下机械搅拌4h，所得混合物冷却至室温；抽滤，产物洗涤3次至滤液pH值到10附近；滤饼在180℃的鼓风干燥箱中烘干12h得到羟基化的粉煤灰。
称量200g干燥好的羟基化粉煤灰加入到带有加热、冷凝和氮气保护的反应釜中，使其在800ml的N-甲基吡咯烷酮中充分分散；将40g的硅烷偶联剂kh550溶解到200ml的N-甲基吡咯烷酮中配制成kh550/吡咯烷酮溶液；将kh550/吡咯烷酮溶液分3次加入到羟基化粉煤灰分散液中；然后在氮气保护和回流冷凝条件下，100-120℃搅拌反应3-5h；冷却至室温，抽滤，甲醇或乙醇洗涤，然后在真空干燥箱80℃下干燥12h后得到硅烷化粉煤灰；
取200g的硅烷化粉煤灰，200g的3,5-二氨基苯甲酸，25g的磷酸三苯酯，25ml的吡啶和1500ml的N-甲基吡咯烷酮加入到带有加热、冷凝和氮气保护的反应釜中，将混合物在180℃氮气氛围下反应6h后，待冷却至室温后用甲醇溶液洗去未反应的物质，然后在真空干燥箱80℃下干燥12h后得到超支化粉煤灰。
最后称取100g超支化粉煤灰，300g丙烯酸加入到单口玻璃反应釜中，外接冷凝管和氮气球，在105℃下反应5h，待冷却至室温后用无水乙醇洗涤除去未反应的丙烯酸，之后再将制得的酰胺化粉煤灰干燥提纯，即制得粉煤灰基环氧树脂潜伏性固化剂。
实施例2
羟基化粉煤灰和硅烷化粉煤灰的制备同实施例1。
取200g的硅烷化粉煤灰，400g的3,5-二氨基苯甲酸，25g的磷酸三苯酯，25ml的吡啶和2000ml的N-甲基吡咯烷酮加入到带有加热、冷凝和氮气保护的反应釜中，将混合物在180℃氮气氛围下反应6h后，待冷却至室温后用甲醇溶液洗去未反应的物质，然后在真空干燥箱80℃下干燥12h后得到超支化粉煤灰。
称取超支化粉煤灰100g，丙烯酸300g加入到单口玻璃反应釜中，外接冷凝管和氮气球，在105℃下反应5h，待冷却至室温后用无水乙醇洗涤除去未反应的丙烯酸，之后再将制得的酰胺化粉煤灰干燥提纯，就制得粉煤灰基环氧树脂潜伏性固化剂。
实施例3
羟基化粉煤灰和硅烷化粉煤灰的制备同实施例1。
取200g的硅烷化粉煤灰，400g的3,5-二氨基苯甲酸，25g的磷酸三苯酯，25ml的吡啶和2000ml的N-甲基吡咯烷酮加入到带有加热、冷凝和氮气保护的反应釜中，将混合物在180℃氮气氛围下反应6h后，待冷却至室温后用甲醇溶液洗去未反应的物质，然后在真空干燥箱80℃下干燥12h后即得到超支化粉煤灰。
称取100g的超支化粉煤灰，300g的丙烯酸加入到单口玻璃反应釜中，外接冷凝管和氮气球，在135℃下反应5h，待冷却至室温后用无水乙醇洗涤除去未反应的丙烯酸，之后再将制得的酰胺化粉煤灰干燥提纯，就制得粉煤灰基环氧树脂潜伏性固化剂。
对比例1
对比例1为未接枝的原始粉煤灰。
表1实施例与对比例样品用量及制备工艺
对实施例1、2、3和对比例1样品测试分析：
对实施例和对比例的样品进行了红外分析、热重分析，并将其与环氧树脂混合，对混合物的进行了差式扫描量热(DSC)分析，对固化后粘合剂的力学性能进行了分析。
图2，3分别是粉煤灰经超支化前后的红外与热重谱图，其中FA-k20％代表用粉煤灰质量20％的kh550对粉煤灰进行改性得到的硅烷化粉煤灰，FA-k20％-1/1对应实施例1中硅烷化粉煤灰与3,5-二氨基苯甲酸的质量比为1:1反应得到的超支化粉煤灰；同理FA-k20％-1/2对应实施例2中硅烷化粉煤灰与3,5-二氨基苯甲酸比例为1:2反应得到的超支化粉煤灰。
通过图2红外谱图可以看出，相对于硅烷化粉煤灰，用3,5-二氨基苯甲酸超支化的粉煤灰在1560和1390cm-1左右的吸收峰增强，随着3,5-二氨基苯甲酸用量的增加，峰的吸收峰强度增强，其中1560cm-1为酰胺基团的-N-H-伸缩振动，1390cm-1为酰胺基团的-C-N-伸缩振动，这是因为硅烷化粉煤灰中的-NH2与3,5-二氨基苯甲酸生成了酰胺基团。
由图3对比三种样品的热重谱图可以看出，三种样品的整体热失重趋势一致，不同就在于386℃以后FA-k40％、FA-k40％-1/1、FA-k40％-1/2失重依次增多，而且随着3,5-二氨基苯甲酸用量比例的增加，失重增加明显。所以可以得出结论超支化粉煤灰与硅烷化粉煤灰热失重的差值就是超支化粉煤灰接枝上的3,5-二氨基苯甲酸的量。通过计算FA-k40％-1/1接枝的量为0.96％，FA-k40％-1/2接枝的量为1.87％。
将实施例和对比例所得的样品与双酚A环氧树脂按表2配比，制备得到混合均匀的样品。
图4、5、6、7分别对应的是实施例1、2、3和对比例1四个样品与环氧树脂1:1质量份混合均匀后进行DSC升温扫描测试所得曲线，测试升温速率为8℃/min，从室温扫描至360℃。可以发现图4中，有两个放热峰固化峰，峰值温度分别为165和340左右。图5中，有三个放热固化峰，峰值温度分别为140、210和345℃，图6中，同样的也有三个放热固化峰，峰值温度分别为140、170和315℃，而图7则没有放热固化峰。对比可以发现图6的放热固化峰面积最大，固化峰值温度也提前，固化效果最好，其次是图5，最后是图4。所以实施例3的效果大于实施例2大于实施例1，对比例(原始粉煤灰)则没有固化效果。
表2实施例与不同比例环氧树脂混合后样品的室温固化时间及固化后样品的力学性能和与钢板的粘接强度
