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环氧树脂的结构与性能参数概述(二)

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三、环氧树脂的化学反应性

环氧树脂是一种热塑性低聚物,性能很差。除用作聚氯乙烯的稳定剂等之外,没有多少直接使用价值。但是当它与固化剂进行固化反应形成三维交联网络结构后,则呈现出一系列优异的性能,从而具有卓越的实用价值。所以环氧树脂的化学反应性能是环氧树脂应用的基础、核心。环氧树脂在固化过程中的行为及固化物的性能取决于环氧树脂的性能、固化剂和其他助剂的性能以及它们与树脂之间的相互影响及合理配合,此外还和它们的固化历程有密切关系。而这些又取决于它们的分子结构。环氧树脂最大的特征是含有反应活性很高的环氧基。

1.环氧基的反应活性

环氧基是由两个碳原子和一个氧原子组成的三元环。由电子衍射法得到的环氧基的结构如图1-1所示。环氧基三元环的两个碳原子和一个氧原子在同一平面上,使环氧基有共振性。COC大于OCC,故倾斜性大,反应性相当活泼。氧的电负性比碳大,导致静电极化作用,使氧原子周围电子云密度增加。若将环氧乙烷的电荷分布与同样是三元环的环丙烷相比较(如图1-2所示),可以看出环丙烷电子分布均一,而环氧乙烷的电荷明显地偏向氧原子。这样一来,在环氧基上就形成两个可反应的活性中心:电子云密度较高的氧原子和电子云密度较低的碳原子。环氧环上的电子云密度分布为。当亲电子试剂靠近时就攻击氧原子,而当亲核试剂靠近时则攻击碳原子,并迅速发生反应,引起C—O键断裂,使环氧基开环。同时又由于环内键角约60°,与正常的键角约109°比较,每个键都向内屈挠约24°,因此环氧环具有很大的张力。就象一张拉开的弓,有很大的回复原态的倾向一样。这种张力是开环的潜在力。正是由于电荷的极化和环氧环的非常大的变形能量,使得环氧基具有极高的反应活性。

端环氧基(如环氧乙烷)与脂环族环氧化合物脂环上的环氧基在立体结构上有显著的差异(如图1-1和图1-3所示)。这种差异对它们的反应性影响极大。在以环己烯氧化物为代表的脂环族环氧化合物中(图1-3),C6、C1、C2及C3四个碳原子处于同一平面上,C4和C5在环氧环的背面,突出在C6—C3平面的上下。因此C1和C2比端环氧基的碳原子受到非常大的立体障碍。无此种立体障碍的端环氧基化合物,受到胺或酚盐等亲核试剂攻击而产生的SN2反应,是在环氧环的背面受攻击时进行的。如图1-4所示,靠β开裂生成正常的加成物。而在环己烯或环辛烯等环氧化合物脂环上的环氧基,由于受如图1-3所示的立体障碍的缘故,其反应活性比端环氧基的反应活性低得多。

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