環(huán)氧樹(shù)脂（Epoxy resin），也稱(chēng)為EP樹(shù)脂、人工樹(shù)脂或樹(shù)脂膠，是分子中含有至少兩個(gè)環(huán)氧基團(tuán)的高分子化合物，當(dāng)它與固化劑發(fā)生反應(yīng)時(shí)，會(huì)形成熱固性三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。環(huán)氧樹(shù)脂是一種物理機(jī)械性能優(yōu)秀的熱固性塑膠，被廣泛應(yīng)用于膠粘劑、涂料、電子封裝、印刷電路板、建筑材料、航空航天以及軍工等領(lǐng)域。環(huán)氧基團(tuán)的IUPAC名稱(chēng)為環(huán)氧乙烷（oxirane），預(yù)聚物與交聯(lián)產(chǎn)物也可統(tǒng)稱(chēng)為環(huán)氧樹(shù)脂。
環(huán)氧樹(shù)脂可以通過(guò)催化均聚與其自身反應(yīng)（交聯(lián)），或與多種共反應(yīng)物反應(yīng)，包括多官能胺、酸（酐）、酚、醇和硫醇。這些共反應(yīng)物通常稱(chēng)為硬化劑或固化劑，而交聯(lián)反應(yīng)通常稱(chēng)為固化。
一、環(huán)氧樹(shù)脂的起源
1934年，德國(guó)化學(xué)家保羅·施拉克首次申請(qǐng)了環(huán)氧化物與胺縮合反應(yīng)的專(zhuān)利。隨后在1943年，皮埃爾·卡斯坦博士宣布發(fā)現(xiàn)了基于雙酚A的環(huán)氧樹(shù)脂，這一研究最終受瑞士的汽巴公司授權(quán)，汽巴公司也因此成為了全球領(lǐng)先的環(huán)氧樹(shù)脂生產(chǎn)商之一。1946年，西爾萬(wàn)·格林利在德沃和雷諾茲公司任職期間，申請(qǐng)了由雙酚A和環(huán)氧氯丙烷交聯(lián)樹(shù)脂的發(fā)明專(zhuān)利。
中國(guó)研制環(huán)氧樹(shù)脂始于1956年，在沈陽(yáng)、上海兩地首先獲得了成功。至70年代末期中國(guó)已形成了從單體、樹(shù)脂、輔助材料，從科研、生產(chǎn)到應(yīng)用的完整工業(yè)體系。
二、雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂
全球使用的環(huán)氧樹(shù)脂中約75%都是基于雙酚A與環(huán)氧氯丙烷（ECH）反應(yīng)，產(chǎn)生雙酚A二縮水甘油醚（BADGE或DGEBA）。
雙酚A二縮水甘油醚的合成
這一生產(chǎn)過(guò)程分為兩個(gè)階段，首先將環(huán)氧氯丙烷加入雙酚A，形成雙酚A二(3-氯-2-羥丙基)醚，然后與等量氫氧化鈉發(fā)生縮合反應(yīng)，形成雙環(huán)氧化物。氯原子以氯化鈉的形式釋放，氫原子以水的形式釋放。當(dāng)形成的環(huán)氧化物進(jìn)一步與雙酚A反應(yīng)時(shí)，會(huì)形成較高分子量的二縮水甘油醚 (n ≥ 1)：
通過(guò)控制分子單元數(shù)量，可以獲得不同形態(tài)的環(huán)氧樹(shù)脂，分子單元較少（n = 1~2），可獲得粘稠、透明的液體環(huán)氧樹(shù)脂。分子單元較多（n=2～30），則為無(wú)色固體環(huán)氧樹(shù)脂。雖然雙酚A基環(huán)氧樹(shù)脂是市場(chǎng)上最常見(jiàn)的產(chǎn)品，但其他雙酚，例如雙酚F（BPF），也可以與環(huán)氧氯丙烷發(fā)生類(lèi)似的反應(yīng)。
高分子量雙酚A-二縮水甘油醚的合成
雙酚A二縮水甘油醚進(jìn)一步與雙酚A反應(yīng)，生成較高分子量的二縮水甘油醚（n≥1），稱(chēng)為預(yù)聚。重復(fù)單元（n=1~2）構(gòu)成的產(chǎn)品是一種黏稠的清澈液體，稱(chēng)為液體環(huán)氧樹(shù)脂。重復(fù)單元（n=2~30）構(gòu)成的產(chǎn)品則是一種無(wú)色固體，稱(chēng)為固體環(huán)氧樹(shù)脂。
雙酚A之外的其他雙酚（尤其是雙酚F）或溴化雙酚（如四溴雙酚A）也可用于上述環(huán)氧化和預(yù)聚。與雙酚A樹(shù)脂相比，雙酚F、雙酚H等樹(shù)脂的粘度通常較低，并且每克平均環(huán)氧含量較高，因此固化后具有更好的耐化學(xué)性。
由于環(huán)氧樹(shù)脂以聚合物、半聚合物或低聚物的形式存在，因此很少以純物質(zhì)形式存在。在特定應(yīng)用中，例如使用蒸餾提純工藝，可以得到更高純度等級(jí)的環(huán)氧樹(shù)脂。但高純度液體環(huán)氧樹(shù)脂由于結(jié)構(gòu)高度規(guī)則，容易形成結(jié)晶固體，因此需要熔化才能進(jìn)行加工。
環(huán)氧樹(shù)脂的重要指標(biāo)之一是環(huán)氧值，它代表環(huán)氧基團(tuán)的含量。環(huán)氧值表示為“環(huán)氧當(dāng)量重量”，即分子量與環(huán)氧基團(tuán)數(shù)之間的比率。該參數(shù)用于計(jì)算固化過(guò)程中所需的固化劑的用量。為了獲得最佳的物理性能，環(huán)氧樹(shù)脂通常使用化學(xué)計(jì)量或接近化學(xué)計(jì)量的固化劑進(jìn)行固化。
三、環(huán)氧樹(shù)脂的應(yīng)用
環(huán)氧樹(shù)脂優(yōu)良的電絕緣性、物理機(jī)械性能、與各種材料的粘接性能、以及其使用工藝的靈活性是其他熱固性塑膠所不具備的。因此，它被廣泛用于：涂料及黏合劑；模鑄各種電子器件、集成電路封裝材料和電路板；制造工業(yè)零件制品；防水材料；建筑結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)，可與碳纖維搭配使用成為具有極高抗拉強(qiáng)度的補(bǔ)強(qiáng)材料。
建筑材料
環(huán)氧樹(shù)脂修補(bǔ)混凝土裂縫
環(huán)氧樹(shù)脂在建筑領(lǐng)域的研究和應(yīng)用已有幾十年歷史，對(duì)于各種建筑材料都有優(yōu)異的粘接性能，具有高強(qiáng)度、抗疲勞、耐老化、耐腐蝕等特點(diǎn)。環(huán)氧樹(shù)脂可作為添加劑，增強(qiáng)砂漿和混凝土的力學(xué)性能；改性環(huán)氧樹(shù)脂可用于混凝土結(jié)構(gòu)的加固改造，例如粘貼碳纖維布加固、粘貼鋼板加固、種植鋼筋、修復(fù)混凝土的裂縫和缺陷等，也是目前行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的首選結(jié)構(gòu)膠粘劑材料。
粘合劑
環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑是“結(jié)構(gòu)粘合劑”或“工程粘合劑”類(lèi)別中的主要部分，其他還包括：聚氨酯、丙烯酸、氰基丙烯酸酯等。這些高性能粘合劑可用于制造飛機(jī)、汽車(chē)、自行車(chē)、船只、高爾夫球桿、滑雪板以及其他需要高強(qiáng)度粘合的應(yīng)用。環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑幾乎可粘結(jié)任何材料，對(duì)木材、金屬、玻璃、石材和塑料都能夠提供極強(qiáng)的粘接力，且可根據(jù)需求制成柔性或剛性、透明或不透明、彩色、快固或慢固。環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑在耐熱性和耐化學(xué)性方面明顯優(yōu)于其他類(lèi)型的粘合劑。
電子電器
環(huán)氧樹(shù)脂封裝混合電路
環(huán)氧塑封料與芯片級(jí)電子膠黏劑在電子工業(yè)中扮演著關(guān)鍵角色，是保證芯片功能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵材料，極大影響了半導(dǎo)體器件的質(zhì)量。常被用于電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器、開(kāi)關(guān)設(shè)備、印刷電路板和半導(dǎo)體封裝。環(huán)氧樹(shù)脂是優(yōu)良的電絕緣體，可保護(hù)電氣元件免受短路、灰塵和潮氣的影響。在電子工業(yè)中，環(huán)氧樹(shù)脂用于集成電路、晶體管和混合集成電路包覆成型以及制造印刷電路板。體積最大的電路板類(lèi)型——FR-4由編制玻璃纖維布與耐火環(huán)氧樹(shù)脂組成。由于經(jīng)過(guò)封裝后的半導(dǎo)體器件需要在高溫高濕處理后，仍能夠耐受260 ℃的無(wú)鉛回流焊，并要求封裝材料在該過(guò)程中不會(huì)由于應(yīng)力過(guò)高而出現(xiàn)分層或開(kāi)裂、電性能失效等情況，因此，需要通過(guò)多種理化性能指標(biāo)（流動(dòng)長(zhǎng)度、熱膨脹系數(shù)、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、粘度、吸水率、介電常數(shù)），以實(shí)現(xiàn)工藝性能以及應(yīng)用性能要求。
袖珍計(jì)算器內(nèi)部，環(huán)氧樹(shù)脂封裝處理器芯片
環(huán)氧樹(shù)脂可用于灌封變壓器和電感器。通過(guò)在未固化的環(huán)氧樹(shù)脂上使用真空浸漬工藝，可以消除繞組與繞組、繞組與鐵芯、繞組與絕緣體之間的空氣孔隙。固化后的環(huán)氧樹(shù)脂不僅電絕緣性能良好，導(dǎo)熱也比空氣更好。變壓器和電感器的熱點(diǎn)大大減少，優(yōu)化元件的穩(wěn)定性和壽命。
風(fēng)力發(fā)電
風(fēng)電塔筒混凝土預(yù)制節(jié)段安裝
環(huán)氧樹(shù)脂拼接膠可用于風(fēng)電塔筒的混凝土預(yù)制節(jié)段安裝拼接，憑借環(huán)氧樹(shù)脂材料優(yōu)異的混凝土粘結(jié)型能，可以制造出成本更低、耐久性更好的風(fēng)力發(fā)機(jī)；環(huán)氧樹(shù)脂與玻璃纖維或碳纖維織物結(jié)合后，能夠生成強(qiáng)度極高且重量輕的復(fù)合材料，這些材料非常適合制造更長(zhǎng)、更高效的風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子葉片；環(huán)氧樹(shù)脂還可用作鋼塔、基座支柱和混凝土基礎(chǔ)的防護(hù)涂層，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命并降低維護(hù)成本。發(fā)電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子葉片連接，將機(jī)械風(fēng)能轉(zhuǎn)換為可用電能，此過(guò)程需要環(huán)氧樹(shù)脂的電氣絕緣和高耐熱性能。此外，環(huán)氧樹(shù)脂還適用于變壓器、襯套以及連接風(fēng)機(jī)與電網(wǎng)的復(fù)合材料電纜。目前，歐洲風(fēng)能組件占環(huán)氧樹(shù)脂應(yīng)用的最大部分，比例約占市場(chǎng)的 27%。
航空航天
航空航天工業(yè)中，環(huán)氧樹(shù)脂是優(yōu)良的反應(yīng)固化型材料，與高性能纖維增強(qiáng)材料復(fù)合，便成為不可代替的結(jié)構(gòu)基體材料。典型的纖維增強(qiáng)材料包括玻璃纖維、碳纖維、凱芙拉纖維和硼纖維。環(huán)氧樹(shù)脂還可用作航空航天結(jié)構(gòu)膠使用，在機(jī)械性能和耐環(huán)境侵蝕方面優(yōu)于大多數(shù)其他類(lèi)型的樹(shù)脂。
石墨烯環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合涂層
研究人員發(fā)現(xiàn)，在飛機(jī)機(jī)翼旋葉上包覆石墨烯和環(huán)氧樹(shù)脂制成的復(fù)合材料涂層可有效除冰，實(shí)驗(yàn)表明在零下20℃的環(huán)境條件下，涂層仍可融化機(jī)翼旋葉上數(shù)厘米厚的冰層。該方法在除冰系統(tǒng)中屬于主動(dòng)式防冰法，相比化學(xué)防冰方法更為環(huán)保。
工業(yè)摸具及復(fù)合材料
碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)
環(huán)氧樹(shù)脂在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要應(yīng)用，常用于制造模具、主模型、層壓板、鑄件和夾具等生產(chǎn)輔助工具。相比金屬、木材等傳統(tǒng)材料，環(huán)氧樹(shù)脂模具不僅能提高生產(chǎn)效率，還能降低成本、縮短生產(chǎn)周期。同時(shí)，它也被廣泛用于生產(chǎn)增強(qiáng)纖維和復(fù)合材料部件。盡管環(huán)氧樹(shù)脂價(jià)格高于聚酯樹(shù)脂和乙烯基酯樹(shù)脂，但其生產(chǎn)的復(fù)合材料部件通常具有更高的強(qiáng)度和耐熱性。
涂料應(yīng)用
鋼筋上的環(huán)氧樹(shù)脂涂層
雙組分環(huán)氧涂料可用于重工業(yè)的金屬基材，與傳統(tǒng)的熱固化粉末涂料相比，此類(lèi)涂層具有更高的硬度和耐久性。熔結(jié)環(huán)氧粉末涂料被廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、飲用水行業(yè)中的鋼管和配件以及混凝土鋼筋的防腐處理。環(huán)氧涂料相比乳膠漆和醇酸樹(shù)脂漆，更耐熱，廣泛用于工業(yè)和汽車(chē)領(lǐng)域。它還能用作底漆，提高汽車(chē)和船舶涂料的附著力，尤其適用防銹蝕要求較高的金屬表面上。金屬罐和容器通常涂有環(huán)氧樹(shù)脂涂層，特別是用于防止酸性食品（如番茄）導(dǎo)致的金屬腐蝕。此外，環(huán)氧樹(shù)脂還被用于裝飾地板，如水磨石地板、碎石地板和彩色骨料地板，提供美觀與耐用性相結(jié)合的裝飾效果。
制造船只
由玻璃纖維浸漬環(huán)氧樹(shù)脂制造的艇
海洋領(lǐng)域環(huán)氧樹(shù)脂主要有兩個(gè)用途。一是由于環(huán)氧樹(shù)脂比更常見(jiàn)的聚酯樹(shù)脂具有更好的機(jī)械性能，因此用于制造需要高強(qiáng)度或重量比的部件。二是環(huán)氧樹(shù)脂的強(qiáng)度高、間隙填充能力好、與各種材料（包括木材）的粘合性出色，使其成為建造船只的重要材料之一。
環(huán)氧樹(shù)脂還常用于船舶修理中，在船舶維修和裝配時(shí)，會(huì)先使用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行修復(fù)，然后再涂上一層具有紫外線防護(hù)功能的漆料，以增強(qiáng)防護(hù)效果。
石油石化
在石油領(lǐng)域，環(huán)氧樹(shù)脂也發(fā)揮著重要作用。它被用于處理堵塞儲(chǔ)層中產(chǎn)生過(guò)多鹽水的選擇性層，從而減少油井出水，提高原油產(chǎn)量，這項(xiàng)技術(shù)被稱(chēng)為“堵水處理”。
藝術(shù)領(lǐng)域
環(huán)氧樹(shù)脂繪畫(huà)
環(huán)氧樹(shù)脂與顏料混合后可用作繪畫(huà)介質(zhì)，通過(guò)層層疊加形成一幅完整的圖畫(huà)。環(huán)氧樹(shù)脂還可用于藝術(shù)品、家具的裝飾。環(huán)氧樹(shù)脂具有無(wú)縫、光亮的表面效果，可以模塑成各種形狀，因此在現(xiàn)代家具設(shè)計(jì)中，環(huán)氧樹(shù)脂是打造簡(jiǎn)約風(fēng)格作品的首選材料。
在未來(lái)，我們將繼續(xù)致力于建筑結(jié)構(gòu)加固與維護(hù)的創(chuàng)新研究，不斷提升我們的材料品質(zhì)。每一個(gè)工程項(xiàng)目都是對(duì)我們承諾的延續(xù)，也是對(duì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的踐行。我們深信，通過(guò)努力和創(chuàng)新，結(jié)構(gòu)加固將迎來(lái)更加可靠和持久的明天。感謝您的閱讀、分享與關(guān)注！
