橡膠彈性體於環氧樹脂增韌技術之發展與應用

 

刊登日期:2019/6/5
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環氧樹脂性能優異,但脆性高,需透過增韌技術以提升其韌性。國內環氧樹脂應用廣泛且市場成熟,對於必須仰賴進口的增韌劑有大量需求,尤其是橡膠彈性體類型之增韌劑。隨著高階應用產品的發展,傳統環氧樹脂增韌劑已難滿足高性能產品應用需求。
 
本文將從以下大綱,探討環氧樹脂增韌技術及增韌劑市場狀況,並針對橡膠彈性體於高性能環氧樹脂增韌劑的發展以及工研院之研發成果加以介紹。
‧前言
‧環氧樹脂增韌技術與市場狀況
 1. 橡膠彈性體增韌環氧樹脂
 2. 熱塑性樹脂增韌環氧樹脂
 3. 彈性鏈段增韌環氧樹脂
 4. 剛性粒子增韌環氧樹脂
‧高性能環氧樹脂增韌劑之發展
‧結論與建議
 
【內文精選】
前言
環氧樹脂(Epoxy Resin)擁有良好的黏著性、抗腐蝕性、耐化性、耐熱性、機械強度、介電性能、成型加工性、低收縮率等特性,固化成型過程不產生揮發性物質,且生產成本低,為國內技術發展成熟的石化材料;其應用需求量大且領域相當廣泛,主要涵蓋塗裝材料、電絕緣材料、基層品/結構材料、土木/建築材料、複合材料及接著劑應用。環氧樹脂是由環氧化合物(Epoxide)與固化劑反應所構成之聚合物材料,圖一說明常用環氧化合物—Bisphenol A Epoxide分子結構所賦予材料之特性,以及可參與環氧樹脂固化交聯反應之官能基結構。
 
圖一、常用環氧化合物分子結構性質與交聯反應
圖一、常用環氧化合物分子結構性質與交聯反應
 
環氧樹脂增韌技術與市場狀況
環氧樹脂增韌技術種類多樣,可互相搭配設計,達到更佳的增韌效果。國內常見的增韌技術主要包括:①橡膠(Rubber)彈性體(Elastomer)增韌環氧樹脂;②熱塑性樹脂增韌環氧樹脂;③彈性鏈段增韌環氧樹脂;④剛性粒子增韌環氧樹脂,分別說明如下。
 
根據環氧樹脂增韌劑全球市場資料指出,環氧樹脂增韌劑於塗料及電子材料應用方面占了將近三分之二比例(圖三),其次為接著劑與複合材料應用。近年因應節能減碳發展趨勢,產品輕量化需求增加,環氧樹脂增韌劑於複合材料應用領域將持續成長。全球環氧樹脂增韌劑主要生產商為DowDuPont公司及CVC公司,並以橡膠彈性體材料占最大宗(圖四及圖五),其中,殼-核(Core-Shell)高分子材料的核心結構亦是屬於橡膠彈性體,可見橡膠彈性體材料於環氧樹脂增韌技術發展之重要性。國內環氧樹脂產業應用廣泛且市場成熟,對於增韌劑有大量需求;然而,國內尚未有規模化的環氧樹脂增韌劑生產,需長期仰賴進口,不僅增加成本,在產品應用方面亦難以有突破性發展。因此,若能有效運用國內擁有充足的橡膠彈性體單體料源以及聚合技術,整合國內上下游產業鏈,將能夠進一步促使產品邁向高值化發展,提高附加價值及競爭力。
 
圖五、全球環氧樹脂增韌劑生產商分布比例
圖五、全球環氧樹脂增韌劑生產商分布比例
 
高性能環氧樹脂增韌劑之發展
傳統上利用液態橡膠作為環氧樹脂之增韌劑,尤以反應型之端官能基液態丁腈橡膠,如端羧基液態丁腈橡膠(Carboxylterminated Butadiene-acrylonitrile Liquid Rubber; CTBN)最為普遍。透過CTBN的導入,羧酸官能基與環氧基團反應連結,促使環氧樹脂硬化後形成微相分離之橡膠微粒結構,具有吸收或減弱應力的功效,可提高環氧樹脂韌性、抗衝擊強度、延展性、熱衝擊性能、抗剝離強度、低溫剪切性能,使其能夠廣泛應用於膠黏劑(如塑膠、金屬、陶瓷材料間的黏著劑)、防震材料、耐油膠管、複合材料(如風力發電葉片、飛機及遊艇外殼、玻璃纖維管)、塗料(如建材漆料、強化液、絕緣、防水、耐腐蝕塗料)、電子密封及灌封,甚至於航太軍事用途等領域。
 
近年來,關於自組裝(Self-assembly)橡膠彈性體材料增韌環氧樹脂的效能已被大量證實與應用。其基本原理為嵌段共聚物(Block Copolymer)中兩互不相容的鏈段會受分子間非共價鍵作用力的影響,依熱力學最安定之狀態組合,發生奈米自組裝之規則性排列現象,透過聚合物鏈段長度、比例、濃度與相容性等設計,可調控出各種不同自組裝型態(圖六)。
 
有別於傳統透過微米級相分離增韌方法的液態橡膠類型之增韌劑,自組裝增韌劑能夠於…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:謝峰銘、時國誠/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」390期,更多資料請見下方附檔。

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