没食子酸基水性含磷环氧固化剂及其制备方法与流程

本发明涉及环氧树脂及固化剂领域，具体涉及没食子酸(化学名称“3,4,5-三羟基苯甲酸”)基水性含磷环氧固化剂及其制备方法。

背景技术：

环氧树脂材料具有优异粘接性能、电绝缘性能、收缩率低、高强度高模量等优点，在电子、船舶、航空航天、机械制造等领域起重要作用。但由于其固化后易燃等不足而使其在一些应用领域受限制。传统的溶剂型环氧树脂涂料，因含大量的有机溶剂而给生态环境带来危害。水性环氧树脂涂料以水代替有机溶剂作为分散介质，具有绿色环保的优点；而水性环氧固化剂是影响双组分水性环氧树脂涂料性能的关键因素之一。

目前文献所报导的水性环氧固化剂多为双酚a环氧树脂-多胺加成物类水性环氧固化剂，其制备过程中需用到双酚a环氧树脂。而双酚a环氧树脂的合成中，又需应用大量的石油衍生物双酚a，因此制备双酚a环氧树脂需要消耗大量的不可再生的石油资源；并且双酚a因具有较大的潜在毒性，易使人内分泌失调并致癌，而被美国药品和食品管理局禁止用于孕妇及婴儿产品。由于石油资源日益短缺，环境气候不断恶化，人们的环保意识、可持续发展意识及对环保的要求日益增强，因此，制备以水为分散介质的水性环氧固化剂及环氧树脂涂料代替溶剂型环氧固化剂及环氧树脂涂料成为其主要发展趋势之一。在环氧树脂及固化剂的合成过程中用绿色的生物基原料及衍生物逐步替代石油基衍生物，也成为近年来的发展趋势。不过，目前文献报道的生物基环氧树脂及固化剂仍以有机溶剂作分散介质；所报道的水性环氧固化剂又大多为双酚a环氧树脂-多胺加成物类，而基于水性体系的生物基环氧树脂固化剂还少见文献报导。

为了提高环氧固化物的阻燃性，采用加入含磷阻燃剂来降低其可燃性是制备环氧树脂阻燃材料的主要方法之一。在有机磷阻燃剂中，9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(dopo)及其衍生物，由于dopo的刚性结构和dopo中稳定的磷结构，对于高分子材料具有较高的阻燃效率；并且能以反应型的含磷阻燃剂方式对环氧树脂材料进行阻燃处理。然而dopo通常情况下是固态，不作改性的情况下，其与环氧树脂基体相容性差，从而导致分散性差、使用过程中渗出和降低环氧树脂基体其它方面性能等缺点；对于水性环氧树脂体系，直接应用还存在难以均匀分散于水性体系中的问题。目前，文献报道的含dopo的反应型阻燃剂常用于有机溶剂型双酚a型环氧树脂体系，近年来，也有少量文献报道了将其改性用于水性双酚a型环氧树脂体系；也有极少文献报道了将其改性引入到生物基的环氧树脂体系，但是，还没有文献报道将dopo改性引入到生物基的水性环氧固化剂中，而这样可以更适应和符合低碳经济和可持续发展的要求。

技术实现要素：

针对现有技术研究现状，本发明先以可从自然界广泛存在的植物中提取出来的没食子酸(没食子酸是存在于自然界中罕见独特的带有苯环的生物质化合物)为原料，代替石油衍生物双酚a，制备出高环氧值的没食子酸基环氧树脂(gae)，然后将gae的部分环氧基先与9，10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(dopo)反应，合成gae-dopo加成物；再将还含有环氧基团的gae-dopo加成物与自制的含长碳链的聚醚多胺化合物进行加成反应，最终制备出绿色环保，更符合可持续发展的没食子酸基水性含磷环氧固化剂。所制备的水性环氧固化剂具有独特的分子结构：其分子结构中除了含有没食子酸基环氧树脂分子链段处；还同时含有高阻燃性的dopo分子链段、赋予固化剂水可分散性和固化功能的含长碳链的聚醚醇多胺链段。以使其与环氧树脂组分固化应用所得的成膜材料具有优良的机械性能，并具有阻燃的功能。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下合成路线与技术方案来实现：

(1)gae-xdopo加成物的合成

以生物基的没食子酸(ga)和环氧氯丙烷(ech)为原料，升温到90～110℃，在催化剂作用下，反应4～8小时进行开环反应；然后调温至室温，并向反应液中加入naoh水溶液，反应2～4小时进行闭环反应后，加水洗涤至中性；静置分层，将油层减压蒸馏，回收过量的环氧氯丙烷，得到浅黄色的半固体状的生物基环氧树脂(gae)。将gae和9、10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(dopo)及乙二醇丁醚溶剂加入到装有搅拌杆、冷凝管和通有氮气的反应瓶中，待反应物gae和dopo完全均匀分散后，再加入一定量的催化剂，并升温到120～160℃搅拌反应4～10小时；测定反应过程中的gae的环氧值的变化，当其环氧值下降到反应前初始值的(4-x)/4(x表示反应体系中对应1摩尔gae所用的dopo摩尔数，x可取1～3的数值)时停止反应。上述步骤以反应式(a)进行表示。

(2)聚醚多胺化合物的合成

首先，在35～85℃温度条件下，滴加聚醚醇二缩水甘油醚(pegge)到脂肪族多胺的有机溶剂中进行扩链反应生成聚醚多胺加成物，所用的脂肪族多胺与被滴加的聚醚醇二缩水甘油醚的物料摩尔比为2～5：1，反应完成后减压蒸馏去除未反应的多余的脂肪族多胺，再加溶剂分散扩链后的聚醚多胺加成物；为了进一步增加其柔韧性在内的综合性能，将含长碳链的单环氧基化合物或含长碳链的单环氧基化合物与含硅烷的单环氧基化合物的混合物对前面所扩链后的聚醚多胺加成物的一端伯胺基进行封端反应得到聚醚多胺化合物。下面的反应式(b)为：脂肪族多胺采用三乙烯四胺(teta)，进行扩链反应生成聚醚醇多胺加成物teta-pegge，再用c12-14烷基缩水甘油醚(age)和3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(jh-0187)的混合物在65℃下对其一端伯胺基进行封端反应，合成出聚醚多胺化合物：teta-pegge-age&jh-0187加成物。

(3)没食子酸基水性含磷环氧固化剂的制备

在40～90℃温度条件下，将gae-xdopo加成物的溶液滴加到上述所制的聚醚多胺化合物(以下的反应式(c)以teta-pegge-age&jh-0187加成物为例)的溶液中进行加成反应，通过将gae-xdopo加成物上环氧基与teta-pegge-age&jh-0187上胺氢反应，将gae-xdopo化合物以化学键形式引入到固化剂分子结构中，合成出没食子酸基含磷聚醚多胺化合物(下式(c)中具体为gae-xdopo-teta-pegge-age&jh-0187加成物)，反应完成后，为了保证其可在水中分散，在40～60℃的温度条件下，滴加一定量的冰乙酸或冰乙酸水溶液(质量百分比10％以上)与没食子酸基含磷聚醚多胺化合物上的胺基进行中和成盐反应来增加其亲水性，保证其能在水中分散。减压蒸馏去除溶剂后，在40～80℃的温度条件下，滴加适量的蒸馏水搅拌分散，制备出固含量45％～60％的没食子酸基水性含磷环氧固化剂。

优选地，所述步骤(1)中没食子酸和环氧氯丙烷的物质的量比为1：16～25。

优选地，所述步骤(1)中没食子酸和环氧氯丙烷反应的催化剂为四丁基溴化铵或苄基三乙基氯化铵。

优选地，所述步骤(1)中gae与9、10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物反应的催化剂为三苯基膦。

优选地，所述步骤(1)中gae与9、10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物反应的催化剂用量为gae与9、10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物质量之和的1％～4％。

优选地，所述步骤(2)中聚醚醇二缩水甘油醚为聚乙二醇二缩水甘油醚、聚丙二醇二缩水甘油醚；脂肪族多胺为二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺或多乙烯多胺。

优选地，所述步骤(3)中gae-xdopo加成物与聚醚多胺化合物的物质的量比为1：(4－x)。

优选地，所述步骤(3)中冰乙酸或其水溶液中冰乙酸的量是没食子酸基含磷聚醚多胺化合物中胺基的摩尔数的5％～25％。

与现有技术相比，本发明方法的优点和有益效果如下：

通过分子设计，以生物基没食子酸、环氧氯丙烷、9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(dopo)、脂肪族多胺、聚醚醇二缩水甘油醚、含长碳链的单环氧基化合物、3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(jh-0187)等为原料进行反应，将dopo、没食子酸以化学键形式链接在固化剂分子结构中，制备出环保型的没食子酸基水性含磷环氧固化剂，更适应和符合低碳经济和可持续发展的要求。并且所制备的水性环氧固化剂具有独特的分子结构：其分子结构中除了含有利于提高应用时与水性环氧树脂组分相容性的没食子酸基环氧树脂分子链段外；还同时含有高阻燃性的dopo分子链段、具有增韧且赋与固化剂相应水可分散性的聚醚醇链段和具有固化功能的多胺链段；可使其固化应用所得的成膜材料综合性能优良，具有增韧、阻燃的功能。

附图说明

图1为没食子酸基水性含磷环氧固化剂与环氧树脂固化后的固化涂膜热重分析图。

图2为本发明实施例2所制备的没食子酸基水性含磷环氧固化剂的红外光谱图。

具体实施方式

为更好理解本发明，下面结合实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例所表示的范围。

实施例1

gae-3dopo加成物的制备：先在带有搅拌装置和回流冷凝管的500ml三口烧瓶中加入没食子酸(13.6克,0.08mol)和环氧氯丙烷(148.0克,1.6mol)，搅拌、加热30分钟，加入1.85克的苄基三乙基氯化铵作催化剂，逐渐升温至115℃，反应6小时。然后调节温度至25℃并向反应液中加入质量比为50％的naoh(16.0克,0.4mol)水溶液闭环反应3小时，反应完全后，加水洗涤4次至中性，静置，分去水层，反应液减压蒸馏，回收过量的环氧氯丙烷，得到浅黄色半固体状环氧树脂(gae)。取没食子酸基环氧树脂(gae)9.5克(含环氧基0.057mol)、dopo(9.3克,0.043mol)，催化剂三苯基磷1.60克和50克乙二醇丁醚溶剂于装有搅拌杆和回流冷凝管的250ml三口烧瓶中，升温140℃氮气保护下反应6小时，制备出gae-3dopo加成物溶液。

按以下步骤制备出聚醚多胺加成物teta-pegge-age聚醚多胺加成物：将三乙烯四胺(7.92克,0.054mol)和25克丙二醇甲醚溶剂投入到装有回流冷凝管、温度计及搅拌器的反应瓶中。待水浴恒温中的反应瓶内温度升至70℃时，在3小时内将聚乙二醇二缩水甘油醚(8.23克,0.0143mol)匀速滴加到反应瓶中进行扩链反应，滴加完后再保温反应4小时后，减压蒸馏去除未反应的过量的三乙烯四胺，得到teta-pegge加成物，然后滴加age(含环氧基0.0143mol)对teta-pegge加成物的一端伯胺氢封端反应，合成出teta-pegge-age加成物。最后，65℃条件下，在4小时内将步骤(1)所制备的gae-3dopo加成物溶液匀速滴加到上述的teta-pegge-age加成物中进行反应，再保温反应5小时，合成出gae-3dopo-teta-pegge-age加成物；在50℃的温度条件下，滴加0.0143mol的冰乙酸与5克水的混合物与gae-3dopo-teta-pegge-age加成物上的胺基进行中和成盐反应；然后减压蒸馏去除溶剂，在55℃条件下，再滴加适量蒸馏水搅拌分散；制备出固含量为51％的水性环氧固化剂。各阶段产物水分散性如表2所示，中间产物gae及gae-3dopo在水中不可分散，与teta-pegge-age加成反应并成盐后的最终产物gae-3dopo-teta-pegge-age加成物可在水中分散。

将其与环氧树脂组分在经丙酮清洗的马口铁片上固化成膜后，测定其涂膜性能(耐冲击性按gb/t1732-93，硬度按gb/t1730-93测试)；结果如表1所示。本实施例所制备的固化剂为表1中所示的固化剂2。表1中所示的固化剂1为传统的双酚a环氧树脂-多胺加成物类水性环氧固化剂(参考文献(周继亮，涂伟萍.非离子型自乳化水性环氧固化剂的合成与性能.高校化学工程学报.vol.20(1)：94-99,2006)制备)。

因热分解过程是材料产生可燃性挥发物的第一基本过程，热重分析法在材料的火灾燃烧研究中得到广泛应用并起重要作用。不同实施例及传统的水性环氧固化剂1所对应的环氧树脂涂膜的热失重曲线如图1所示。本实施例所制备的固化剂与环氧树脂固化后的涂膜材料的热重分析结果如图1中的热重曲线2所示。而传统的固化剂1与环氧树脂固化后的涂膜材料的热重分析结果与图1中的热重曲线1对应。结果表明:在400℃-800℃高温下，本发明所制备的水性环氧固化剂的固化涂膜的残碳率和耐热性比传统的水性环氧固化剂1的涂膜显著提高。除了热重分析法外，极限氧指数(loi)及ul94等级也是评价材料燃烧性能及阻燃性能的一种准确、快捷的评价方法。不同实施例及传统的水性环氧固化剂1所对应的环氧树脂固化样条的极限氧指数如表1所示。

从图1和表1的结果表明，本发明用生物基没食子酸代替双酚a所制备的水性环氧固化剂所制备的涂膜透明有光泽，表明其成膜过程中与环氧树脂组分相容性良好，其涂膜具有良好的耐冲击性和铅笔硬度。相对于传统的双酚a环氧树脂-多胺加成物类水性环氧固化剂，其固化物的耐热性、极限氧指数有较大的提高；本发明所制备的没食子酸基水性含磷环氧固化剂起到了明显的阻燃作用。

实施例2

gae-2dopo加成物的制备：先在带有搅拌装置和回流冷凝管的500ml三口烧瓶中加入没食子酸(10.2克,0.06mol)和环氧氯丙烷(88.8克,0.96mol)，搅拌、加热30分钟，加入0.96克四丁基溴化铵(tbab)作催化剂，逐渐升温至115℃，反应6小时。然后调节温度至25度并向反应液中加入naoh(9.6克,0.24mol)水溶液闭环反应2小时，反应完全后，加水洗涤3次至中性，静置，分去水层，反应液减压蒸馏，回收过量的环氧氯丙烷，得到浅黄色半固体状环氧树脂(gae)。取如上所述自制的没食子酸基环氧树脂(gae)9.6克(含环氧基0.054mol)、dopo(5.85克,0.027mol)，催化剂三苯基磷1.14克和60克乙二醇丁醚溶剂于装有搅拌杆和回流冷凝管的250ml三口烧瓶中，升温150℃氮气保护下反应5小时，制备出gae-2dopo加成物。

按以下步骤制备出teta-pegge-age&jh-0187聚醚多胺加成物：将三乙烯四胺(7.92克,0.0542mol)投入到装有20克丙二醇甲醚溶液的250ml反应瓶中。反应瓶中装有回流冷凝管、温度计及搅拌器。待水浴恒温中的反应瓶内温度升至65℃时，在2小时内将聚乙二醇二缩水甘油醚(15.5克,0.027mol)匀速滴加到反应瓶中对三乙烯四胺进行扩链反应，滴加完后再保温反应5小时，合成出teta-pegge加成物，然后，滴加age&jh-0187混合物(含环氧基0.027mol)对teta-pegge加成物的一端伯胺氢封端反应，合成出teta-pegge-age&jh-0187加成物。最后，65℃条件下，在4小时内将步骤(1)所制备的gae-2dopo加成物溶液匀速滴加到上述的teta-pegge-age&jh-0187加成物溶液中进行反应，再保温反应4小时，合成出gae-2dopo-teta-pegge-age&jh-0187加成物；在60℃的温度条件下，滴加0.018mol的冰乙酸与6克水的混合物与gae-2dopo-teta-pegge-age&jh-0187加成物上的胺基进行中和成盐反应；然后减压蒸馏去除溶剂，在55℃的条件下，滴加适量的蒸馏水搅拌分散；制备出固含量为52％的水性环氧固化剂。各阶段产物水分散性如表3所示，中间产物gae及gae-2dopo在水中不可分散，与teta-pegge-age&jh-0187加成反应并成盐后的最终产物gae-2dopo-teta-pegge-age&jh-0187加成物可在水中分散。

本实施例的固化剂的红外光谱图如图2所示。从图2可看出，1716.33cm^-1出现了固化剂中没食子酸链段中羰基c＝0的伸缩振动吸收峰，在1592.46cm^-1、1509.25cm^-1、1461.04cm^-1处出现了固化剂中没食子酸链段链段及dopo分子链段上的苯环的骨架振动特征吸收峰，且在1208.47cm^-1处出现了p＝o键的特征吸收峰，在758.22cm^-1处出现了没食子酸链段中的对位二取代苯环的特征吸收峰；在890.80cm^-1处出现了没食子酸链段中苯环上的c-h被4元取代时的面外弯曲吸收峰。3385.28为固化剂中teta分子链段上的胺氢吸收峰，1119.71为聚醚链段特征峰。2930.79、2869.09cm^-1处为固化剂的碳链中-ch2-的反对称伸缩振动峰和对称伸缩振动峰。

将其与环氧树脂组分在经丙酮清洗的马口铁片上固化成膜后，测定其涂膜性能(耐冲击性按gb/t1732-93，硬度按gb/t1730-93测试)；结果如表1所示。本实施例所制备的固化剂为表1中所示的固化剂3。

利用热重分析对本实施例所示固化剂与环氧树脂固化后的涂膜材料的热稳定性进行分析；其结果如图1中的热重曲线3所示。利用极限氧指数(loi)及ul94等级测定测试样条的阻燃性能，所测试的性能如表1所示。

实施例3

gae-2.5dopo加成物的制备：先在带有搅拌装置和回流冷凝管的1000ml三口烧瓶中加入没食子酸(22.7克,0.133mol)和环氧氯丙烷(296.0克,3.20mol)，搅拌、加热30分钟，加入3.02克的四丁基溴化铵(tbab)作催化剂，逐渐升温至115度，反应6小时。然后调节温度至25℃并向反应液中加入naoh(21.3克,0.53mol)水溶液闭环反应3小时，反应完全后，加水洗涤4次至中性，静置，分去水层，反应液减压蒸馏，回收过量的环氧氯丙烷，得到浅黄色的半固体状环氧树脂(gae)。取如上所述自制的没食子酸基环氧树脂(gae)21.8克(含环氧基0.12mol)、16.2克dopo，催化剂三苯基磷3.91克和70克乙二醇丁醚溶剂于装有搅拌杆和回流冷凝管的250ml三口烧瓶中，升温145℃氮气保护下反应6小时，制备出gae-2.5dopo加成物溶液。

按以下步骤制备出聚醚多胺加成物deta-pegge-age加成物：将二乙烯三胺(deta,9.3克,0.090mol)投入到装有50克丙二醇甲醚溶液的250ml反应瓶中。反应瓶中装有回流冷凝管、温度计及搅拌器。待水浴恒温中的反应瓶内温度升至60℃时，在3小时内将聚乙二醇二缩水甘油醚(pegge,25.2克,0.045mol)匀速滴加到反应瓶中进行反应，滴加完后再保温反应8小时，合成出deta-pegge加成物；然后滴加age(含环氧基0.045mol)对deta-pegge加成物的一端伯胺氢封端反应，合成出deta-pegge-age加成物。然后，65℃条件下，在4小时内将步骤(1)所制备的gae-2.5dopo加成物溶液匀速滴加到上述的deta-pegge-age加成物溶液中进行反应，再保温反应4小时，合成出gae-2.5dopo-deta-pegge-age加成物；在60℃的温度条件下，滴加0.03mol的冰乙酸与10克水的混合物与gae-2.5dopo-deta-pegge-age加成物上的胺基进行中和成盐反应；然后减压蒸馏去除溶剂，在50℃条件下，滴加适量蒸馏水搅拌分散；制备出固含量为53％的水性环氧固化剂。各阶段产物水分散性如表4所示，中间产物gae及gae-2.5dopo在水中不可分散，与deta-pegge-age加成反应并成盐后的最终产物gae-2.5dopo-deta-pegge-age加成物可在水中分散。

将其与环氧树脂组分在经丙酮清洗的马口铁片上固化成膜后，测定其涂膜性能(耐冲击性按gb/t1732-93，硬度按gb/t1730-93测试)；结果如表1所示。本实施例所制备的固化剂为表1中所示的固化剂4。利用热重分析对本实施例所示固化剂与环氧树脂固化后的涂膜材料的热稳定性进行分析；其结果如图1中的热重曲线4所示。利用极限氧指数(loi)及ul94等级测定测试样条的阻燃性能,所测试的性能如表1所示。

表1固化物的涂膜性能与阻燃性能

表2实施例1产物水分散性的比较

备注：+:可分散；-:不可分散

表3实施例2产物水分散性的比较

备注：+:可分散；-:不可分散

表4实施例3产物水分散性的比较

备注：+:可分散；-:不可分散。