酚醛胺(T-31)環氧樹脂固化劑之淺談

摘要:本文介紹了酚醛胺(T-31)系列環氧固化劑及原料的現狀和特點,并對酚醛胺(T-31)系列環氧固化劑進行了分代,闡述了第三代酚醛胺(T-31)系列環氧固化劑的系列化、專用化、高檔化。預測和展望了2005年的需求和方向。

    1、前言
    酚醛胺(T-31)環氧樹脂固化劑在我國已有二十多年的生產歷史,它是一種比較理想的環氧樹脂常溫固化劑,且能在0℃左右、濕度大于80%和水下等環境中固化各種型號的環氧樹脂。由于其分子量不大、粘度低、與環氧樹脂的混溶性好、浸潤性強、施工方便、固化速度快,因而被大量用在設備和管道防腐、土木建筑工程中的混凝土石料、鋼材、瓷磚等材料粘接、嵌縫和涂料行業、玻璃鋼行業及近幾年興起的環氧地坪的中、底涂等。是目前國內用量大的固化劑品種。屬于無毒等級精細化工產品。
    從二十世紀六十年代國外將經曼尼期(mannich)型反應所得酚醛胺用于環氧樹脂固化劑領域開始,國內七十年代研制,八十年代初生產至今,除酚用苯酚、醛用甲醛、胺用乙二胺外,已發展到近200家用各種原料生產出多種酚醛胺(T-31)固化劑,改變了率先推出T-31的初衷,多數廠家都叫T-31,少數廠家自己叫的型號也被用戶當做T-31固化劑(像703、907、881、TZ系列)來使用,自然形成了T-31是酚醛胺環氧固化劑的統(通)稱(或代名詞)。

    2、酚醛胺(T-31)固化劑所用原料之現狀
    顧名思義,酚醛胺(T-31)固化劑所用原料主要是酚類、醛類和胺類,見表1:
                               表1:酚醛胺(T-31)固化劑原料 

類別

原料名稱

目前主要使用

酚類

苯酚、甲酚、壬基酚

苯酚

醛類

甲醛、丁醛、水楊醛

甲醛

胺類

脂肪胺、芳香胺、脂環胺

脂環胺量大

    尤其是胺類原料發展較快,三個類型達數十種之多,特別值得一提的是2000年,天擇實業推出其生產飼料添加劑的中間體甲基環戊二胺TAC、TDC和(2、3二甲基)二亞丁基三胺TAB,豐富了國內脂環胺和脂肪胺的類型。2004年TAC實際產量1000噸,2005.1年該公司已順利擴產到2000噸規模。見表2:
                                 表2:多胺類型及名稱 

類型

多胺名稱

目前用量

脂肪胺

乙二胺、尿素、己二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、多元胺(2、3二甲基)二亞丁基三胺(TAB)

乙二胺較多

芳香胺

間苯二胺、間苯二甲胺、DDM

較少

脂環胺

MDA、IPDA、甲基環戊二胺TAC、TDC TAC

較多

    3、酚醛胺(T-31)固化劑之現狀
    酚醛胺(T-31)固化劑是由苯酚、甲醛、多胺經曼尼期(mannich)型反應而得的改性胺類產品。目前生產廠家近200家,主要分布在中原(鄭州)、華東(上海、昆山、無錫)、華北(京津)、華中(武漢、黃山)、華中南(長沙、岳陽)、華西南(成都、自貢)、東北(沈陽)等,2004年產量約萬噸之多。見表3:
                                表3:酚醛胺(T-31)固化劑區域分布 

區域

產量(t/a)

主要生產廠

備注

中原

1200

天擇實業

-

華東

3000

上海3家,無錫3家,杭州、昆山各1家

-

華北

2000

天津5家

-

華中

1000

武漢2家,安徽4家

-

華中南

1000

長沙3家,岳陽5家

-

華西南

1000

成都2家,自貢1家

-

東北

800

沈陽4家,哈爾濱2家

-

其它

1500

10家

-

    筆者按所用胺的類型,并考慮到改性的前后時間、改性后的應用性能與品種及發展的趨勢將酚醛胺(T-31)固化劑分為三代。代主要是脂肪胺(如:乙二胺、己二胺、二乙烯三胺等)與苯酚、甲醛進行的曼尼期(mannich)改性,第二代是芳香胺與苯酚、甲醛進行的曼尼期(mannich)改性。第三代是脂環胺(如:甲基環戊二胺,簡稱TAC)與苯酚、甲醛進行的曼尼期(mannich)改性。

    4、三代酚醛胺(T-31)固化劑的特點
    要知道經曼尼期(mannich)改性后的特點先要了解被改性的原料:脂肪胺、脂環胺、芳香胺的化學結構和性質:
             色  相:(優)脂環胺→脂肪胺→芳香胺(劣)
             粘  度:(低)脂環胺→脂肪胺→芳香胺(高)
             適用期:(長)芳香胺→脂環胺→脂肪胺(短)
             固化性:(快)脂肪胺→脂環胺→芳香胺(慢)
             刺激性:(強)脂肪胺→芳香胺→脂環胺(弱)
             毒  性:(強)芳香胺→脂肪胺→脂環胺(弱)
    而直接使用多胺作固化劑與雙酚A環氧樹脂的固化物在光澤、柔韌性、粘接性、耐熱性、耐酸性、耐水性方面也呈一定的規律性:
             光  澤:(優)芳香胺→脂環胺→脂肪胺(劣)
             柔韌性:(軟)脂肪胺→脂環胺→芳香胺(剛)
             粘接性:(優)脂環胺→脂肪胺→芳香胺(良)
             耐熱性:(優)芳香胺→脂環胺→脂肪胺(良)
             耐酸性:(優)芳香胺→脂環胺→脂肪胺(劣)
             耐水性:(優)脂肪胺→脂環胺→芳香胺(良)
    對光澤來說芳香胺好,脂肪胺差,此性質受固化溫度的影響較大,隨溫度升高,光澤變好。
    對脂肪胺、脂環胺、芳香胺等多胺類進行曼尼期(mannich)改性,產品性能有了較大改善,使三代酚醛胺(T-31)固化劑具有以下共同特點:
    (1)降低了低級胺的揮發性,刺激性和毒性;
    (2)低粘度液體化,與環氧樹脂易混合;
    (3)與環氧樹脂配比范圍寬,可調節控制固化速度;
    (4)結構中引入了酚醛骨架,提高了固化物的耐熱性;
    (5)結構中引入了酚羥基,大大加強了固化反應活性;
    (6)提高了環氧樹脂與輔助材料的相容性和親和性。
    代酚醛胺(T-31)固化劑主要是將易揮發、刺激性大、毒性大的脂肪胺改性成具有:不易揮發、刺激性小、低毒、與環氧樹脂配比范圍寬等特點;第二代酚醛胺(T-31)固化劑主要是將毒性大、固態的芳香胺改性成具有:低毒、液體化、常溫固化、固化物耐熱性好、耐酸性優良等特點;而第三代則是將綜合性能較脂肪胺與芳香胺優的脂環胺改性成具有:系列化品種多、刺激性小、無毒等級、與環氧樹脂配比范圍寬、適用期長、應用范圍廣、固化物耐熱性好、性價比高等綜合性能優良的酚醛胺(T-31)固化劑。以天擇實業為例,僅酚醛胺(T-31)固化劑就開發生產了系列品種,滿足了市場需求的專用化、高檔化。其酚醛胺(T-31)固化劑系列產品主要指標及應用見表4:
                               表4:酚醛胺(T-31)系列固化劑 

型號

胺值(mgKOH/g)

100份(E44)加量

和樹脂(E44)混合外觀

固化物外觀

推廣用途

TZ-46

460±20

10~30

乳白

白、不透明

一般防腐

TZ-50

500±20

10~30

半透明

防腐、再加工

TZ-500

500±20

10~30

透明

透明

涂料、玻璃鋼行業、膠粘劑配制地坪的中、底涂等

TZ-550

500±20

10~25

透明

透明

TZ-600

500±20

10~25

透明

透明

    TZ-46型和其它廠家的T-31一樣主要用于一般防腐;TZ-50用于防腐和其它廠家改性使用;TZ-500、TZ-550、TZ-600除具有TZ-46、TZ-50的用途外,還用于涂料、玻璃鋼行業、膠粘劑配制及近幾年興起的環氧地坪的中、底涂、低壓電子灌封和琥珀色的裝飾品等。

    5、市場預測和展望
    2003年我國環氧樹脂的生產規模達38萬噸,年產量約22萬噸,2004年產量約28萬噸,以此計算,預計2005年國內環氧樹脂生產能力會超過35萬噸,與之配套的固化劑約需8萬噸,而隨著以系列化、專用化、高檔化發展起來的第三代酚醛胺(T-31)固化劑推廣和用戶的逐步認識與了解,將會使酚醛胺(T-31)系列環氧樹脂固化劑用量達到近3萬噸。
隨著我國經濟建設的快速發展,電子、化工、食品、制藥、宇航、鐵路、公路、橋梁、城建、水利、電力等各行各業對環氧樹脂的需求量迅速提高,同時對固化劑也有了更高的要求。就酚醛胺(T-31)系列環氧固化劑而言,應加大第三代酚醛胺(T-31)系列環氧固化劑的推廣應用,進一步提高產品質量,在酚醛骨架的基礎上,引入其它基團,開發出第四代、第五代酚醛胺(T-31)環氧固化劑,以滿足固化物的特殊性能。向產品系列單元化、高純精細化、單項專用化、淺色至無色化、無毒安全化、綠色和環境友好化、性價比大化發展。

    參考文獻:
    [1]孫曼靈 環氧樹脂應用與技術
    [2]楊海