优秀毕业论文：耐高温环氧树脂的合成工艺研究

清华大学毕业设计说明书(论文)作者:黎明东学院(系):化工学院专业:化学工程及工艺题目:耐高温环氧树脂的合成工艺研究指导者：(姓名)(专业技术职务)评阅者：(姓名)(专业技术职务)2012年06月蔺向阳高级工程师毕业设计说明书（论文）中文摘要环氧树脂是一种重要的热固性树脂,因其具有良好的综合性能和工艺性而在复合材料、胶黏剂和涂料行业中有着不可代替的作用。然而，其固化物脆性大、耐热性差难以满足日益发展的工程技术要求，限制了环氧树脂进一步应用。随着高新技术的不断发展，对环氧树脂提出了越来越高的要求，因而也就不断推动着高性能环氧树脂的研究开发。本论文研究的三酚基甲烷缩水甘油醚是一种耐高温环氧树脂，这种树脂具有良好的韧性和加工性能，可广泛用于高性能复合材料、封装材料等领域。本文以苯酚和对羟基苯甲醛为原料合成三酚基甲烷，再以三酚基甲烷与环氧氯丙烷(ECH)缩合制备三酚基甲烷缩水甘油醚。通过不同条件的对比，得出制备三酚基甲烷缩水甘油醚的最佳工艺。选用酰亚胺作为固化剂，得到具有良好机械性能和粘接强度的耐高温环氧胶黏剂。实验研究合成出了单体三酚基甲烷以及三酚基甲烷缩水甘油醚，并采用FTIR、HPLC、NMR等手段进行了表征，还对THPM单体的环氧值、熔点以及环氧树脂的剪切强度等基本性能进行了研究。同时创新性的发现并采用二氯甲烷和乙醇溶液来提纯THPM单体。结果表明该环氧树脂的环氧值为0.551，HPLC图表明三酚基甲烷单体纯度是98.98%。关键词耐高温环氧树脂三酚基甲烷缩水甘油醚苯酚对羟基苯甲醛环氧氯丙烷毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleStudiesofSyntheticTechniquesofTri(4-hydroxyphenyl)MethaneGlycidylEtherwithPhenolandParahydroxyBenzaldehydeAbstractEpoxyresinisanimportantthermosettingresin.Asweknownthatepoxyresinswerewidelyusedasadhesivesandmatrixresinincomposites.However,mostthermosettingresinformanydisadvantages,suchasthegreatbrittlenessinthecuredstateandlowheat-resistance,soit’sdifficulttofitfortherequirementsofthedevelopingengineeringtechnologyandrestrictsitsapplicationinsomespecialoccasion.Thearticleintroducestri(4-hydroxyphenyl)methaneetherisahightemperatureresistantepoxyresin.Ithasexcellenttenacityandprocessability,anditiswidelyusedashighperformancecompositeandencapsulationmaterials.Thearticlemainlystudiesthesynthesesoftri(4-hydroxyphenyl)methanewithphenolandparahydroxybenzaldehydetri(4-hydroxyphenyl)methaneglycidyletherwiththetri(4-hydroxyphenyl)methaneandchloropropane.Comparingthediffirentconditionofthereaction,theoptimumsynthetictechniquesofsuperiorquatilyoftri(4-hydroxyphenyl)methaneglycidyletherisgiven.Hightemperatureresistantepoxyadhesiveshadbeenprovedtohavegoodmechanicalpropertiesandbondingstrengthbecausetheycombinedtheadvantagesofepoxyresinandpolyimideresinbymixingofthetworesinwithcomplementaryproperties.Experimentalstudyofsynthesisofmonomertri(4-hydroxyphenyl)methaneandtri(4-hydroxyphenyl)methaneglycidylether,deeplystudiedonthebasicperformanceofTHPMmonomerandepoxyresinbymeasuringFTIR,HPLC,NMR,epoxyvalue,meltingpointandshearstrength.AndinnovativelyadoptingdichloromethaneandethanolsolutiontopurificationTHPMmonomer.ResultsshowthattheepoxyvalueofTHPMGEis0.551andHPLCspectraindicatestri(4–hydroxyphenyl)methanemonomerpurityis98.98%.Keywordsheatresistantepoxyresintri(4-hydroxyphenyl)methaneglycidyletherphenolparahydroxybenzaldehydechloropropane本科毕业设计说明书（论文）第I页共II页目次1绪论………………………………………………………………………11.1引言………………………………………………………………………………11.2环氧树脂概况……………………………………………………………………11.2.1环氧树脂定义…………………………………………………………………11.2.2环氧树脂的发展历史…………………………………………………………21.2.3环氧树脂的分类………………………………………………………………41.2.4环氧树脂的产量与应用………………………………………………………61.3高耐热环氧树脂发展趋势………………………………………………………81.3.1新型环氧树脂…………………………………………………………………81.3.2新结构的耐高温固化剂……………………………………………………121.3.3无机纳米复合材料的开发…………………………………………………131.4合成三酚基甲烷缩水甘油醚工艺的意义……………………………………141.4.1合成三酚基甲烷(THPM)单体………………………………………………141.4.2THPMGE的目的和意义………………………………………………………152实验部分…………………………………………………………………………162.1实验原料………………………………………………………………………162.1.1合成原料……………………………………………………………………162.1.2固化剂………………………………………………………………………162.1.3实验设备……………………………………………………………………172.2THPMGE环氧树脂合成…………………………………………………………182.2.1三酚基甲烷的合成…………………………………………………………182.2.2三酚基甲烷缩水甘油醚的合成……………………………………………192.3性能测试………………………………………………………………………192.3.1环氧值………………………………………………………………………202.3.2熔点…………………………………………………………………………212.3.3红外光谱……………………………………………………………………222.3.4高效液相色谱………………………………………………………………222.3.5核磁共振测定………………………………………………………………223结果与讨论………………………………………………………………………223.1合成工艺………………………………………………………………………223.1.1三酚基甲烷(THPM)单体合成工艺以及新提纯方法……………………………223.1.2三酚基甲烷缩水甘油醚的合成…………………………………………233.2THPM单体的表征……………………………………………………………233.2.1熔点表征……………………………………………………………………233.2.2红外光谱表征………………………………………………………………243.2.3高效液相色谱表征…………………………………………………………25本科毕业设计说明书（论文）第II页共II页3.2.4核磁共振表征………………………………………………………………263.3三酚基甲烷缩水甘油醚的环氧值……………………………………………273.3.1ECH和三酚基甲烷的摩尔比对反应产物的影响…………………………273.2.2NaOH的用量、浓度对反映的影响…………………………………………283.4需要进一步研究解决的问题………………………………………………………30结论…………………………………………………………………………………31致谢…………………………………………………………………………………32参考文献……………………………………………………………………………33本科毕业设计说明书（论文）第1页共35页1绪论1.1引言环氧树脂(epoxyresins)是一种环氧低聚物(epoxyolygomer)，简写为EP，与固化剂(hardener)反应时便可形成三维网状的热固性塑料。环氧树脂由于具有较好的热稳定性、绝缘性、粘附性、良好的力学性能、成型工艺性能以及低成本等优势，广泛应用于电子元器件的黏接、封装以及印制线路板的制作领域，成为目前最为重要的电子化学材料之一。随着电子工业的发展[1]，对EP材料的耐热性、耐湿性提出更苛刻的要求，开发高耐热型环氧树脂具有十分重要的价值[2]。环氧树脂固化物耐热性主要取决于环氧树脂本身的分子骨架结构，同时与固化剂、固化工艺、交联情况以及使用改性填料有关。提高环氧固化物的耐热性途径主要有[3]：开发具有耐热性骨架新型结构的EP，包括主链上或侧链上含有耐热基团、多官能度结构、液晶结构；选择耐高温固化剂或者合成新型结构的耐高温固化剂；开发EP/无机纳米复合材料。下面首先阐述环氧树脂的概况、新型环氧树脂发展趋势以及三酚基甲烷缩水甘油醚合成研究的意义。1.2环氧树脂概况1.2.1环氧树脂定义环氧树脂[4](EpoxyResin–EP)是泛指含有两个或两个以上环氧基,以脂肪族、脂环族、或芳香族等有机化合物为骨架并能通过环氧基团反应形成有用的热固性产物的高分子低聚体(Oligomer)。当聚合度n为零，称之为环氧化合物，简称环氧化物（Epoxide）。这些低相对分子质量树脂虽不完全满足严格的定义但因具有环氧树脂的基本属性,在称呼时也不加区别的统称为环氧树脂。典型的环氧树脂结构如下式。本科毕业设计说明书（论文）第2页共35页上述定义不包括环氧化天然油及其相关品种。这些环氧化物基本上用作聚氧乙烯等树脂的稳定剂和增塑剂。虽然他们也含有两个或两个以上的环氧基，但在环氧树脂通用的固化条件下不能充分反应得到有用的热固化产物。在欧洲，环氧树脂被称为环氧化合物树脂（EpoxyResin）。依据其化学性质的差异，文献上分类为：环氧化聚烯烃、过醋酸环氧树脂、环氧烯烃聚合物、环氧氯丙烷树脂、双酚A树脂、环氧氯丙烷-双酚A缩聚物、双环氧氯丙烷树脂以及2,2-双（