一种适用于环氧树脂的离子液体固化剂及其制备方法与流程

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种适用于环氧树脂基的复合材料固化剂。

背景技术

环氧树脂是一种环氧低聚物，与固化剂反应时便可形成三维网状的热固性塑料。环氧树脂通常具有优异的粘接、防腐蚀、成型性和热稳定性等性能，在力学、热、电气和耐化学药品性方面的性能非常优越，可以作为涂料、胶黏剂和成型材料使用。未固化的环氧树脂是黏性液体或脆性固体，没有实用价值，只有与固化剂进行固化生成三维交联网络结构才能实现最终用途。

因此，环氧树脂的性能很大程度上依赖于与固化剂的反应性。针对环氧树脂的使用性能要求，选择的固化剂有低温固化剂，中温固化剂和高温固化剂。对于耐高温树脂来说，要提高其耐高温性能，只能使用高温固化剂，常用的耐高温固化剂有芳香胺、酸酐、甲阶酚醛树脂、氨基树脂、双氰胺以及酰肼等。这些固化剂的固化温度通常大于200℃，且固化速度在数小时以上，这种高固化温度、低固化速度难以满足大型复合材料结构件高效固化的要求，急需开发新型的耐高温，低温快速固化剂。

技术实现要素：

为克服上述技术缺陷，本发明提供一类酰胺功能化的离子液体固化剂，通过将酰胺基团引入到离子液体阳离子中，形成同时具有伯胺，仲胺或叔胺等功能结构的阳离子，然后通过阴离子交换获得系列适用于耐高温环氧树脂的离子液体低温快速固化剂。

所述离子液体阳离子结构含有季铵类、季膦类、吡啶类、咪唑类、吡唑类、三唑类、四唑类等母体结构的阳离子。

所述离子液体阴离子为能与对应酰胺型阳离子稳定配对的任一种阴离子，包括：溴离子、氯离子、四氟硼酸、六氟磷酸、二氰胺根、双三氟甲磺酰亚胺、乙酸、氨基酸等。

该类固化剂将离子液体阳离子中引入了酰胺基团，通过酰胺基团与环氧树脂聚合形成酰亚胺结构单元，该单元可显著提高聚合物的耐热性能和力学性能，同时引入具有固化促进作用的阴离子，提高固化速度，这种阴阳离子的协同作用实现了耐热型环氧树脂的低温快速固化。

本发明还提供了一种酰胺功能化的离子液体固化剂的制备方法，具体是将阳离子前体与含酰胺基团的卤化物通过季铵化反应引入酰胺基团，然后进行离子交换引入不同的阴离子结构单元。

进一步的季铵化反应在乙醇、乙腈、二氯甲烷、水、甲醇、三氯甲烷、乙酸乙酯、乙醚等溶剂中的一种或多种的混合物。

进一步的季铵化反应温度为-20～100℃，反应时间为10min～64h，阳离子前体与含酰胺基团卤化物的配比为1∶1～1∶2之间。

进一步的离子交换反应溶剂选用水、甲醇、乙醇、二氯甲烷、乙酸乙酯、乙醚中的一种或多种的混合物

进一步的离子交换反应物的配比控制在1∶1.2～1.2∶1范围内。

进一步的离子交换后的产物通过重结晶或溶剂洗涤的方法提纯。

本发明还提供一种环氧树脂浇注体，所述浇注体为含有环氧树脂和酰胺功能化离子液体的固化物。

所述浇注体的制备方法，选用酰胺功能化的离子液体与环氧树脂按不同配比混合后，先进行抽真空排气，然后预固化，最后进行后固化制成。该浇注体具有耐高温性能好，固化温度低的特性。

本发明还提供一种树脂基复合材料，选用环氧树脂与酰胺功能化的离子液体作为树脂体系，选用碳纤维、碳化硅纤维、氧化钴纤维、硼纤维、芳纶纤维等作为填料复合而成。该复合材料具有成型温度低，固化速度快，耐热性能好的优点。

附图说明

图1.实施例2所得浇注体的dma曲线；

图2.实施例3所得浇注体的dma曲线；

图3.实施例5所得浇注体的dma曲线；

图4.实施例6所得浇注体的dma曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

一种适用于环氧树脂的离子液体固化剂，其特征在于在离子液体阳离子母体中引入酰胺基团，所述阳离子母体包括咪唑类、吡啶类、吡唑类、季铵类、季膦类等，典型示例如下：

所述阴离子包括四氟硼酸根、六氟磷酸跟、乙酸根、二氰胺根、三氟甲磺酰亚胺根、氨基酸根类阴离子等，典型示例结构如下：

上述离子液体固化剂的制备方法与传统离子液体制备方法类似，首先通过季铵化反应生成相应的氯盐或溴盐，然后进行离子交换反应获得相应阴离子化合物。

上述离子液体固化剂可与环氧树脂按一定比例混合固化成树脂浇注体，具体工艺是将环氧树脂预聚体与酰胺功能化离子液体固化剂按一定比例混合均匀后倒入模具中，然后真空除气泡，升温分阶段固化，获得浇注体样条。所述环氧树脂预聚体包括双酚a型、双酚f型、双酚s型、氢化双酚a型，多官能基缩水甘油醚基树脂等常规环氧树脂体系和特种环氧树脂体系。制备的浇注体样条可进行拉伸试验和动态力学性能测试。

拉伸试验条件：ctm8050微机控制电子万能材料试验机，gb/t1040-2006；

动态力学性能测试条件：采用dmaq800动态机械分析仪，美国ta仪器公司；25℃～300℃；升温速率3℃/min；频率1hz；振幅20μm；夹具为拉伸夹具；空气气氛。

进一步的离子液体固化剂可与环氧树脂结合不同填料组成耐热型树脂基复合材料，所述填料体系可选自碳纤维、碳化硅纤维、氧化钴纤维、硼纤维、芳纶纤维中的一种或多种的复合物。

下面结合具体实施例介绍其制备方法。

实施例1.

1-乙烯基-3-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑氯盐(aovc)合成：称取2-氯乙酰胺(20mmol；1.870g)溶于30ml乙腈倒入100ml烧瓶中，称取1-乙烯基咪唑(17mmol；1.600g)溶于10ml乙腈中，滴入烧瓶中，将混合物在70℃下搅拌并回流冷凝64小时。然后将白色沉淀物减压抽滤并用乙腈(15ml)洗涤三次。在真空下除去残留的溶剂。将得到的白色固体溶解在乙醇中，放入冰箱中进行重结晶，过滤后真空干燥。得白色固体(产率：54.5％)。

对1-乙烯基-3-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑氯盐进行了¹hnmr、¹³cnmr核磁表征：¹hnmr(600mhz,dmso)δ＝5.10(s,2h；ch2),5.44(dd,1h；ch2),6.06(dd,1h；ch2),7.46(dd,1h；ch),7.61(s,1h；nh2),7.90–7.94(m,1h；ch),8.26(s,1h；nh2),8.33(t,1h；ch),9.75ppm(s,1h；ch).¹³cnmr(151mhz,dmso)δ＝50.79,108.78,118.33,124.72,128.82,136.70,166.45ppm；对1-乙烯基-3-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑氯盐进行了红外(ir)表征：ir(kbr):σ＝597,632,835,933,1184,1320,1408,1546,1570,1674,3052,3085,3117,3371cm^-1.对1-乙烯基-3-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑氯盐进行了元素分析(ea)测试：c7h10n3ocl的ea理论值(％):c44.81,h5.37,n22.40；实验值:c44.96,h5.683,n22.55.

实施例2

1-乙烯基-3-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑二氰胺盐合成(aovd)及应用：称取agn(cn)2(52mmol；9.043g)加入250ml烧瓶中，加入80mlmeoh后搅拌形成悬浮液。然后将1-乙烯基-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑氯盐(40mmol；7.575g)的meoh(50ml)溶液加入到悬浮液中，将其在40℃下搅拌回流6小时。通过减压抽滤除去沉淀物后收集滤液，并用meoh(15ml)洗涤沉淀三次，并入滤液中。将滤液旋转蒸发除去meoh，得到的白色固体溶解在乙醇中，放入冰箱中进行重结晶，获得无色透明针状晶体(产率：78.0％)。对1-乙烯基-3-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑二氰胺盐进行了¹hnmr、¹³cnmr核磁表征：¹hnmr(600mhz,dmso)δ＝4.95(s,2h；ch2),5.41(dd,1h；ch2),5.94(dd,1h；ch2),7.33(dd,1h；ch),7.54(s,1h；nh2),7.80(t,1h；ch),7.83(s,1h；nh2),8.14(t,1h；ch),9.37ppm(s,1h；ch).¹³cnmr(151mhz,dmso)δ＝51.31,109.43,118.82,119.64,125.36,129.37,137.21,166.96ppm.对1-乙烯基-3-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑二氰胺盐进行了红外(ir)表征：ir(kbr):σ＝522,599,920,1187,1284,1319,1412,1555,1580,1655,1678,1706,2140,2196,2244,3095,3147,3342cm^-1.对1-乙烯基-3-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑二氰胺盐进行了元素分析(ea)测试：c9h10n6o的ea理论值(％):c49.54,h4.62,n38.51；实验值:c49.55,h4.500,n38.73.

环氧树脂tde-85加热至90℃，将固化剂1-乙烯基-3-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑二氰胺盐用研钵研细，按固化剂与环氧树脂质量比为25∶100添加，加热使固化剂完全溶解于环氧树脂，并搅拌使其均匀混合。然后倒入涂有脱模剂并预热的聚四氟乙烯模具中，放入真空烘箱中90℃下抽真空除气泡，在110-130℃下预固化80min，固化程序：134℃/2h—158℃/2h—169℃/2h，固化完成后脱模得到测试所需的标准哑铃型环氧树脂浇注体样条。

实施例3

1-乙烯基-3-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐(aovb)的合成及应用：将3-(2-氨基-2-氧乙基)-1-乙烯基咪唑氯盐(22mmol；4.128g)溶于26ml去离子水中，然后加入lintf2(20mmol；5.742g)。常温搅拌12h后，体系分为两层。下层无色透明液体产物。用分液漏斗分离产物，再用去离子水洗涤产物6次，每次10ml。真空干燥后得到纯净浅黄色液体产物(收率：20.2％)。对1-乙烯基-3-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐进行了¹hnmr、¹³cnmr核磁表征：¹hnmr(600mhz,dmso)δ＝4.99(s,2h；ch2),5.45(dd,1h；ch2),5.98(dd,1h；ch2),7.37(dd,1h；ch),7.58(s,1h；nh2),7.83(s,1h；ch),7.87(s,1h；nh2),8.18(t,1h；ch),9.42ppm(s,1h；ch).¹³cnmr(151mhz,dmso)δ＝50.74,108.81,116.25,118.23,118.39,120.52,122.65,124.78,128.78,136.65,166.40ppm.对1-乙烯基-3-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐进行了红外(ir)表征：ir(kbr):σ＝512,571,741,790,1055,1139,1188,1350,1556,1657,1699,3154,3360,3453cm^-1.对1-乙烯基-3-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐进行了元素分析(ea)测试：c9h10f6n4o5s2的ea理论值(％):c25.00,h2.33,n12.96；实验值:c25.04,h2.38,n13.33.

按固化剂1-乙烯基-3-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐与环氧树脂tde-85的质量比为10∶100混合，加热至90℃并搅拌使其均匀混合。然后倒入涂有脱模剂并预热的聚四氟乙烯模具中，放入真空烘箱中90℃下抽真空除气泡，固化程序：160℃/2h—195℃/2h—210℃/4h，固化完成后脱模得到测试所需的标准哑铃型树脂浇注体样条。

实施例4

1-丁基-3-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑氯盐(aobc)的合成：称取2-氯乙酰胺(20mmol；1.870g)溶于40ml乙腈倒入100ml烧瓶中，称取1-丁基咪唑(17mmol；2.111g)溶于10ml乙腈中，滴加加入瓶中，将混合物在70℃下搅拌并回流冷凝64小时。冷却后放入冰箱12h生成白色沉淀，然后将白色沉淀物减压抽滤并用乙腈(15ml)洗涤三次。在真空下除去残留的溶剂。将得到的白色固体溶解在乙醇中，放入冰箱中进行重结晶，过滤后真空干燥。获得目标原料，白色固体(产率：45.6％)。

对1-丁基-3-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑氯盐进行了¹hnmr、¹³cnmr核磁表征：¹hnmr(600mhz,dmso)δ＝0.87(t,3h；ch3),1.22(dq,2h；ch2),1.64–1.82(m,2h；ch2),4.18(t,2h；ch2),4.95(s,2h；ch2),7.48(s,1h；ch),7.73(dt,2h；nh2),8.00(s,1h；ch),9.20ppm(s,1h；ch).¹³cnmr(151mhz,dmso)δ＝13.25,18.71,31.33,48.51,50.48,121.64,123.95,137.28,166.69ppm.对1-丁基-3-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑氯盐进行了红外(ir)表征：ir(kbr):σ＝602,641,761,1174,1203,1282,1303,1400,1568,1697,2870,2952,2989,3118,3253.对1-丁基-3-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑氯盐进行了元素分析(ea)测试：c9h16n3ocl的ea理论值(％):c49.66,h7.41,n19.30；实验值:c49.83,h7.381,n19.34.

实施例5

1-丁基-3-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑二氰胺盐(aobd)的合成及应用：称取agn(cn)2(24mmol；4.174g)加入250ml烧瓶中，然后加入40mlmeoh搅拌形成悬浮液。然后将3-(2-氨基-2-氧乙基)-1-丁基咪唑氯盐(20mmol；4.354g)的meoh(20ml)溶液加入到悬浮液中，将其在40℃下搅拌回流6小时。通过减压抽滤除去沉淀物后收集滤液，并用meoh(15ml)洗涤沉淀三次，并入滤液中。旋转蒸发除去meoh，将得到的白色固体溶解在乙醇中，放入冰箱中进行重结晶。获得白色固体(产率：76.6％)。对1-丁基-3-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑二氰胺盐进行了¹hnmr、¹³cnmr核磁表征：¹hnmr(600mhz,dmso)δ＝0.91(t,3h；ch3),1.27(dq,2h；ch2),1.78(dt,2h；ch2),4.21(t,2h；ch2),4.94(s,2h；ch2),7.50(s,1h；ch),7.72(dt,2h；ch2),7.83(s,1h；ch),9.11ppm(s,1h；ch).¹³cnmr(151mhz,dmso)δ＝13.23,18.71,31.32,48.56,50.45,119.05,121.62,123.96,137.23,166.67ppm.对1-丁基-3-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑二氰胺盐进行了红外(ir)表征：ir(kbr):σ＝516,642,1170,1306,1337,1402,1567,1679,2145,2201,2256,2964,3098,3144,3202,3263,3369.对1-丁基-3-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑二氰胺盐进行了元素分析(ea)测试：c11h16n6o的ea理论值(％):c53.21,h6.50,n33.85；实验值:c53.41,h6.836,n34.08.

环氧树脂tde-85加热至90℃，将固化剂1-丁基-3-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑二氰胺盐用研钵研细，按固化剂与环氧树脂质量比为12∶100添加，加热使固化剂完全溶解于环氧树脂，并搅拌使其均匀混合。然后倒入涂有脱模剂并预热的聚四氟乙烯模具中，放入真空烘箱中90℃下抽真空除气泡，在100-130℃下预固化，固化程序：144℃/2h—158℃/2h—167℃/2h，固化完成后脱模得到测试所需的标准哑铃型样条。

实施例6

1-丁基-3-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐(aobb)的合成及应用：将3-(2-氨基-2-氧乙基)-1-丁基咪唑氯盐(22mmol；4.789g)溶于30ml去离子水中，然后加入lintf2(20mmol；5.742g)。常温搅拌12h后，体系分为两层。下层无色透明液体产物，用分液漏斗分离产物，再用去离子水洗涤产物6次，每次10ml。真空干燥后得到纯净产物(收率：67.8％)。

按固化剂1-丁基-3-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐与环氧树脂tde-85的质量比为12∶100混合，加热至90℃并搅拌使其均匀混合。然后倒入涂有脱模剂并预热的聚四氟乙烯模具中，放入真空烘箱中90℃下抽真空除气泡，固化程序：160℃/2h—193℃/2h—210℃/4h，固化完成后脱模得到测试所需的标准哑铃型浇注体样条。

对1-丁基-3-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐进行了¹hnmr、¹³cnmr核磁表征：¹hnmr(600mhz,dmso)δ＝0.91(t,3h；ch3),1.19–1.35(m,2h；ch2),1.69–1.84(m,2h；ch2),4.21(t,2h；ch2),4.94(s,2h；ch2),7.51(s,1h；ch).7.72(dt,2h；ch2),7.84(s,1h；ch),9.12ppm(s,1h；ch).¹³cnmr(151mhz,dmso)δ＝13.15,18.69,31.31,48.56,50.45,116.26,118.39,120.52,121.60,122.66,123.96,137.24,166.66ppm.对1-丁基-3-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐进行了红外(ir)表征：ir(kbr):σ＝513,571,616,741,790,1056,1193,1350,1405,1568,1614,1701,2967,3154,3359,3451cm^-1.对1-丁基-3-(2-氨基-2-氧乙基)咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐进行了元素分析(ea)测试：c11h16f6n4o5s2的ea理论值(％):c28.57,h3.49,n12.12；实验值:c28.48,h3.257,n12.31.

表1.实施例2、3、5、6所得浇注体力学性能及热行为参数

^a玻璃化转变温度.^b贮存模量.^c分解温度.^d拉伸强度.e拉伸模量.f断裂伸长率.

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。