通过多聚甲醛的原位解聚制备生物基环氧树脂固化剂的反应机理及固化性能研究

This project aims to prepare a new curing agent for epoxy, namely the cardanol-based aldehyde amine, it will be synthesized using bio-massed cardanol and amine by in-situ depolymerization of paraformaldehyde, replacing the traditional formaldehyde aqueous solution. The depolymerization behavior of parafomaldehyde and its controlling factors will be studied extensively, the influences of temperature, feeding ratio and feeding mode on the condensation reaction will be explored, moreover, the relationship between paraformaldehyde depolymerization reaction and condensation reaction will be studied in order to find a proper way to regulate these two reactions. The curing behavior and reaction kinetics of epoxy/cardanol-based aldehyde amine system will be investigated, and the effects of curing agent dosage, curing temperature and time on the curing behavior will be inspected. Besides, the effects of the special chemical structure of cardanol on the chemical and physical properties of epoxy resin will be explored. This project is originated from practical application, and the basic theoretical and scientific problems will be deeply studied, which is helpful to solve the key technical problems in practical application, and it is of great significance to science and technology. It will greatly reduce energy consumption, waste water discharge and environmental pollution using paraformaldehyde substituting for formaldehyde aqueous solution to conduct condensation reaction. Furthermore, synthesis of the curing agent for epoxy by bio-massed cardanol opens up a new way for preparing large scale polymer materials using natural renewable resource, it is of critical importance to reduce oil consumption.

本课题通过多聚甲醛的原位解聚释放甲醛，代替传统的甲醛水溶液，与生物基腰果酚、胺类化合物就地进行缩合反应，制备出新型的腰果酚缩醛胺，用作环氧树脂固化剂。深入研究多聚甲醛的解聚行为及其影响因素，以确定最佳的反应条件；通过模型化合物，系统研究腰果酚缩合反应的机理，以探明胺类化合物的结构对缩合反应机理及产物结构的影响；研究腰果酚缩醛胺/环氧树脂体系的固化行为及反应动力学，以确定最佳的固化条件；考察腰果酚缩醛胺的分子结构对固化物性能的影响，从而构建缩醛胺分子结构与固化物性能之间的相互关系。本项目的研究目的就是要解决腰果酚缩醛胺合成过程中涉及到的一系列基础和科学问题，从而为这一新型环氧树脂固化剂的大规模合成和应用奠定坚实的理论基础。通过生物基腰果酚合成环氧树脂固化剂，为利用天然可再生资源合成大宗高分子材料开辟了一条新的途径，对于来源丰富、可再生的生物质资源的利用具有重大意义，可减少对石油资源的依赖。

传统的缩醛胺合成工业需要消耗大量苯酚，苯酚是通过石油化工合成的一种不可再生的化工原料。随着全球人口和世界经济的持续增长，资源危机和生态环境问题越来越受到人们的重视。目前，包括中国在内的许多国家都十分重视循环经济和可持续发展。对于化工行业，如果能够利用自然界的可再生天然产物生产化工产品或者新材料，无疑具有巨大的吸引力。. 本项目通过多聚甲醛的原位解聚释放甲醛，代替传统的甲醛水溶液，与生物基腰果酚、胺类化合物进行缩合反应，制备出新型的腰果酚缩醛胺，用作环氧树脂固化剂。首先选用不同的脂肪胺，与腰果酚和多聚甲醛通过曼尼希反应合成了四种不同的腰果酚缩醛胺。通过多种手段对缩醛胺的结构和性质进行了分析和表征，系统研究了胺类化合物的结构对缩合反应机理及产物结构的影响；进而考察了腰果酚缩醛胺的分子结构对固化物性能的影响，构建了缩醛胺分子结构与固化物性能之间的关系，采用DSC对四种缩醛胺的固化动力学进行了研究，并确定了最佳的固化工艺。其次，分别选用三种不同的酚类物质，与多聚甲醛和己二胺进行曼尼希反应，合成了三种缩醛胺固化剂。通过红外光谱/液相质谱联用、核磁共振光谱、差示扫描量热法等手段对三种缩醛胺的结构和性质进行了表征。用合成的缩醛胺固化环氧树脂，对固化物的性能进行了表征，从而对腰果酚基己二胺缩醛胺的性能进行了比较和评价，并通过非等温DSC对固化反应动力学进行了研究。最后，采用多聚甲醛代替37%甲醛水溶液，与苯酚、二甲胺水溶液通过曼尼希反应制备了2, 4, 6-三（二甲胺基甲基）苯酚（DMP30），并对产物的结构进行了表征，确定了最佳的合成工艺条件，并对其固化性能与商品DMP30进行了对比。. 本项研究解决了腰果酚缩醛胺合成过程中涉及的一系列基础和科学问题，从而为这一新型环氧树脂固化剂的大规模生产和应用奠定了坚实的理论基础，为利用天然可再生资源合成大宗高分子材料开辟了一条新的途径，对于来源丰富、可再生的生物质资源的利用具有重要意义。