Silikonmodifiziertes Epoxidharz: Verbesserungen durch chemische Copolymerisation

In jüngsten Forschungsarbeiten wurde eine Reihe von mit Epoxidharzen modifizierten Harzen untersucht. Organosilizium Es wurden erfolgreich Verbindungen unter Verwendung von Polymethyltriethoxysilan (PTS) mittels zweier unterschiedlicher Methoden synthetisiert: physikalischem Mischen und chemischer Copolymerisation. Untersuchungen haben gezeigt, dass chemisch modifizierte Epoxidharze im Vergleich zu physikalisch modifizierten Produkten überlegene Eigenschaften aufweisen. Daher befasst sich dieser Artikel eingehend mit der chemischen Copolymerisation zur organischen Siliciummodifizierung von Epoxidharzen.

Chemische Copolymerisationsmodifizierung

Die chemische Copolymerisationsmodifizierung beruht auf der chemischen Wechselwirkung zwischen aktiven Gruppen wie Amino-, Hydroxyl- und Alkoxygruppen in Polyorganosiloxanmolekülen und den Hydroxyl- und Epoxidgruppen im Epoxidharz. Ziel dieses Prozesses ist die chemische Copolymerisation und damit die Modifizierung. Nach der chemischen Modifizierung von Epoxidharz mit organischem Silicium entstehen primär organische Silicium-Blockstrukturen oder gepfropfte Epoxidharz-Copolymere. Diese Modifizierung verbessert die Kompatibilität der Materialien. Darüber hinaus erhöht der Einbau flexibler und stabiler Si-O-Ketten in die Beschichtungsstruktur des ausgehärteten Harzes dessen Hitzebeständigkeit und Bruchzähigkeit.

Funktionelle Gruppe Polysiloxanmodifiziertes Epoxidharz/Beschichtung

Durch die Integration flexibler Polysiloxansegmente mit hoher Bindungsenergie in das Epoxidharzsystem entsteht eine komplexe Netzwerkstruktur zwischen den beiden Komponenten. Dies führt zu einer deutlichen Verbesserung der Kompatibilität, wodurch die Phasentrennung reduziert und die Flexibilität der Epoxidharzbeschichtung erhöht wird. Folglich trägt diese Verbesserung zu einer höheren thermischen Stabilität, Flammwidrigkeit und Hydrophobie der Beschichtung bei. Diese Eigenschaften bilden eine solide Grundlage für potenzielle Anwendungen in Bereichen wie Strukturverklebung, Verpackung und Luft- und Raumfahrttechnik. Derzeit werden sowohl im Inland als auch international bemerkenswerte Fortschritte in der Forschung zu silikonmodifizierten Epoxidharzen erzielt.

Ein spezifischer Ansatz beinhaltet die Reaktion von γ-Aminopropyltriethoxysilan (AP-TES) mit 2,3-Epoxypropyl-terminiertem Polydimethylsiloxan (GPPMS). Dadurch wird die Epoxidgruppe an einem Ende des GPPMS über die Aminogruppe geöffnet. Diese Synthese führt zu einem Polysiloxan-Zwischenprodukt, bezeichnet als AGPMS. Anschließend wird AGPMS mit Bisphenol-A-Epoxidharz (DGEBA) kombiniert und ausgehärtet, wodurch eine mit Organosilicium modifizierte Epoxidharzbeschichtung entsteht. Experimentelle Ergebnisse zeigen unterschiedliche Verbesserungen der Schlagzähigkeit, Bruchzähigkeit und thermischen Stabilität der resultierenden silikonmodifizierten Epoxidharzbeschichtung. Es ist jedoch festzustellen, dass bei geringer Zugabemenge von AGPMS die Zugfestigkeit des Epoxidharzes leicht abnimmt.

Eine ähnliche Methodik wurde zur Herstellung einer neuartigen Klasse von Epoxidharzen mit kondensierten Phenyloligosiloxanbrücken eingesetzt. Dies geschieht durch die Kondensationsreaktion zwischen den C-OH-Gruppen des Bisphenol-A-Epoxidharzes und den Si-OH-Gruppen des Hexaphenyl-kondensierten Cyclosiloxandiloxan-Zwischenprodukts. Untersuchungen haben gezeigt, dass sich durch Aushärtung des modifizierten Harzes mit Polyamid bei Raumtemperatur eine transparente, organisch-siliziummodifizierte Epoxidbeschichtung herstellen lässt. Bei einem Gehalt an polycyclischem Phenyloligosiloxan von 44.2 % erreicht die modifizierte Epoxidharzbeschichtung eine Härte von 6H und eine Zersetzungstemperatur von 348.96 °C. Es ist jedoch wichtig zu betonen, dass die Glasübergangstemperatur (Tg) der modifizierten Beschichtung mit steigendem Gehalt an organischem Siliziummodifikator abnimmt. Diese chemische Modifizierung mit Phenylsilikonharz erhöht die Hitzebeständigkeit und Schlagfestigkeit des modifizierten Epoxidharzes signifikant.

Darüber hinaus findet unter Verwendung von Phosphorsäure als Katalysator eine Reaktion zwischen niedermolekularem, hydroxylterminiertem Polydimethylsiloxan (HPDMS) und Bisphenol-A-Epoxidharz (DGEBA) statt. Dabei erfolgt unter Säurekatalyse eine Ringöffnung zwischen der Silikonhydroxylgruppe des HPDMS und der Epoxidgruppe des DGEBA. Zunächst entsteht dabei ein einfach terminiertes, mit Polydimethylsiloxan modifiziertes Epoxidharz (ESR), das anschließend als Vorstufe für die Herstellung einer hochglänzenden, organisch-siliziummodifizierten Epoxidbeschichtung (ESR-PA) mit Polyamid (PA) als Härter dient. Untersuchungen belegen die gute Kompatibilität zwischen Siloxan und Epoxidharz, die zu überlegenen mechanischen Eigenschaften, Hitzebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit der ESR-PA-Beschichtung im Vergleich zu einer reinen DGEBA-Beschichtung führt.

Abschließend wurde die Modifizierung von Epoxidharz mit niedermolekularem Bis(glycidyletherpropyl)tetramethyldisiloxan bzw. Bis(3-aminopropyl)tetramethyldisiloxan (jeweils 15 Massenprozent) untersucht. Beide niedermolekularen Modifikatoren senken die Glasübergangstemperatur der Epoxidharzbeschichtungen signifikant. Die modifizierten Beschichtungen weisen eine verringerte Biegefestigkeit, einen niedrigeren Speichermodul und eine geringere Entflammbarkeit auf, begleitet von einer geringfügigen Erhöhung der Schlagzähigkeit. Der Einfluss des Siloxanmodifikators auf die Brinellhärte des Epoxidharzes ist vernachlässigbar.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Ansatz der chemischen Copolymerisation zur Modifizierung von Epoxidharz mit Organosiliciumverbindungen vielversprechende Möglichkeiten zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Eigenschaften von Epoxidharzbeschichtungen bietet, mit potenziellen Anwendungen in verschiedenen Branchen.