環(huán)氧樹脂是工業(yè)領(lǐng)域中重要的熱固性樹脂材料，在粘合劑領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂以石油基資源為原料，近年來基于可再生資源的生物基環(huán)氧樹脂倍受關(guān)注，但是多數(shù)研究關(guān)注生物基環(huán)氧樹脂單體，對(duì)固化劑的研究相對(duì)較少，特別是具有儲(chǔ)存穩(wěn)定性的潛伏型固化劑及其單組分環(huán)氧樹脂更是鮮少涉及。
近日，貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院謝海波教授、猶陽特聘教授在高分子材料領(lǐng)域權(quán)威期刊《ACS Macro Letters》（影響因子5.1）發(fā)表了題為“High-Performance One-Component Epoxy
Adhesive Based on the Synergistic Effect of Lignin-Derived Triaryl-Imidazole
and Phytic Acid, ACS Macro Lett. 2024, 13, 6, 775–780”的最新研究成果。該工作第一作者為貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院碩士研究生李海，通訊作者為猶陽特聘教授和謝海波教授，第一單位為貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院。該工作以木質(zhì)素解聚產(chǎn)物藜蘆醛為原料，采用一鍋法制備了生物基三芳基咪唑單體(BIM)，進(jìn)一步在室溫下與生物質(zhì)植酸(PA)反應(yīng)合成了一種新型的生物基潛伏性固化劑(BIMPA），并將其與商用E51環(huán)氧樹脂混合制備了單組分環(huán)氧樹脂前驅(qū)體（圖1）。
圖1環(huán)氧粘合劑的制備
機(jī)理分析表明，該前驅(qū)體具有在室溫下可穩(wěn)定儲(chǔ)存90天以上。如圖2所示，結(jié)合量子化學(xué)模擬可知去驗(yàn)證了BIMPA在高溫下可分兩步釋放出高活性的三芳基咪唑，咪唑環(huán)上的孤對(duì)電子暴露并容易攻擊環(huán)氧化物基團(tuán)，從而引發(fā)開環(huán)聚合并促進(jìn)樹脂的固化。
圖2 單組分環(huán)氧樹脂的固化機(jī)理
如圖3所示，少量的PA能顯著改變其熱降解以及促進(jìn)其成碳。此外，比較BIMPA固化體系和BIM固化體系的力學(xué)性能可知（圖4c和圖4d），少量PA的引入即可顯著提升其力學(xué)性能，結(jié)合SAXS、XPS以及凝膠含量測試結(jié)果可知，EP-BIMPA-X體系材料的結(jié)構(gòu)更加的均勻且PA可以提供額外的離子交聯(lián)點(diǎn)，以上結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有助于提升材料力學(xué)性能。
圖3 熱穩(wěn)定性和機(jī)械性能
升溫固化獲得的環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的熱力學(xué)性能，可以作為高性能粘合劑，以不銹鋼基底為例，搭接強(qiáng)度隨著BIMPA質(zhì)量含量的增加而增加，EP-BIMPA-7.5的搭接強(qiáng)度達(dá)到41.02 MPa(圖4a)。這一數(shù)值使其在潛伏性固化膠粘劑中具有競爭力。同時(shí)也在其他材質(zhì)上進(jìn)行搭接實(shí)驗(yàn)（圖4b），最終結(jié)果證實(shí)了單組分環(huán)氧膠粘劑的高性能和通用性，具有良好的應(yīng)用前景。
圖4 粘合性能
該研究得到了國家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào)：22065006、21704019、22173094、52303121）、
貴州省科技項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：QianKeHe Foundation [2020]1Z004、ZK[2024]yiban020、平臺(tái)與人才[2016]5652,
[2019]5607)、貴州大學(xué)人才計(jì)劃(X2022008)。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.4c00247