环氧树脂是什么材料？一文读懂！

环氧树脂（Epoxy resin），也称为EP树脂、人工树脂或树脂胶，是分子中含有至少两个环氧基团的高分子化合物，当它与固化剂发生反应时，会形成热固性三维网状结构。环氧树脂是一种物理机械性能优秀的热固性塑胶，被广泛应用于胶粘剂、涂料、电子封装、印刷电路板、建筑材料、航空航天以及军工等领域。环氧基团的IUPAC名称为环氧乙烷（oxirane），预聚物与交联产物也可统称为环氧树脂。

环氧树脂可以通过催化均聚与其自身反应（交联），或与多种共反应物反应，包括多官能胺、酸（酐）、酚、醇和硫醇。这些共反应物通常称为硬化剂或固化剂，而交联反应通常称为固化。

1934年，德国化学家保罗·施拉克首次申请了环氧化物与胺缩合反应的专利。随后在1943年，皮埃尔·卡斯坦博士宣布发现了基于双酚A的环氧树脂，这一研究最终受瑞士的汽巴公司授权，汽巴公司也因此成为了全球领先的环氧树脂生产商之一。1946年，西尔万·格林利在德沃和雷诺兹公司任职期间，申请了由双酚A和环氧氯丙烷交联树脂的发明专利。

中国研制环氧树脂始于1956年，在沈阳、上海两地首先获得了成功。至70年代末期中国已形成了从单体、树脂、辅助材料，从科研、生产到应用的完整工业体系。

全球使用的环氧树脂中约75%都是基于双酚A与环氧氯丙烷（ECH）反应，产生双酚A二缩水甘油醚（BADGE或DGEBA）。

这一生产过程分为两个阶段，首先将环氧氯丙烷加入双酚A，形成双酚A二(3-氯-2-羟丙基)醚，然后与等量氢氧化钠发生缩合反应，形成双环氧化物。氯原子以氯化钠的形式释放，氢原子以水的形式释放。当形成的环氧化物进一步与双酚A反应时，会形成较高分子量的二缩水甘油醚 (n ≥ 1)：

通过控制分子单元数量，可以获得不同形态的环氧树脂，分子单元较少（n = 1~2），可获得粘稠、透明的液体环氧树脂。分子单元较多（n=2～30），则为无色固体环氧树脂。虽然双酚A基环氧树脂是市场上最常见的产品，但其他双酚，例如双酚F（BPF），也可以与环氧氯丙烷发生类似的反应。

高分子量双酚A-二缩水甘油醚的合成

双酚A二缩水甘油醚进一步与双酚A反应，生成较高分子量的二缩水甘油醚（n≥1），称为预聚。重复单元（n=1~2）构成的产品是一种黏稠的清澈液体，称为液体环氧树脂。重复单元（n=2~30）构成的产品则是一种无色固体，称为固体环氧树脂。

双酚A之外的其他双酚（尤其是双酚F）或溴化双酚（如四溴双酚A）也可用于上述环氧化和预聚。与双酚A树脂相比，双酚F、双酚H等树脂的粘度通常较低，并且每克平均环氧含量较高，因此固化后具有更好的耐化学性。

由于环氧树脂以聚合物、半聚合物或低聚物的形式存在，因此很少以纯物质形式存在。在特定应用中，例如使用蒸馏提纯工艺，可以得到更高纯度等级的环氧树脂。但高纯度液体环氧树脂由于结构高度规则，容易形成结晶固体，因此需要熔化才能进行加工。

环氧树脂的重要指标之一是环氧值，它代表环氧基团的含量。环氧值表示为“环氧当量重量”，即分子量与环氧基团数之间的比率。该参数用于计算固化过程中所需的固化剂的用量。为了获得最佳的物理性能，环氧树脂通常使用化学计量或接近化学计量的固化剂进行固化。

环氧树脂优良的电绝缘性、物理机械性能、与各种材料的粘接性能、以及其使用工艺的灵活性是其他热固性塑胶所不具备的。因此，它被广泛用于：涂料及黏合剂；模铸各种电子器件、集成电路封装材料和电路板；制造工业零件制品；防水材料；建筑结构加固补强，可与碳纤维搭配使用成为具有极高抗拉强度的补强材料。

  建筑材料 

环氧树脂在建筑领域的研究和应用已有几十年历史，对于各种建筑材料都有优异的粘接性能，具有高强度、抗疲劳、耐老化、耐腐蚀等特点。环氧树脂可作为添加剂，增强砂浆和混凝土的力学性能；改性环氧树脂可用于混凝土结构的加固改造，例如粘贴碳纤维布加固、粘贴钢板加固、种植钢筋、修复混凝土的裂缝和缺陷等，也是目前行业内公认的首选结构胶粘剂材料。

风力发电 

环氧树脂拼接胶可用于风电塔筒的混凝土预制节段安装拼接，凭借环氧树脂材料优异的混凝土粘结型能，可以制造出成本更低、耐久性更好的风力发机；环氧树脂与玻璃纤维或碳纤维织物结合后，能够生成强度极高且重量轻的复合材料，这些材料非常适合制造更长、更高效的风力涡轮转子叶片；环氧树脂还可用作钢塔、基座支柱和混凝土基础的防护涂层，延长设备使用寿命并降低维护成本。发电机通过传动系统与转子叶片连接，将机械风能转换为可用电能，此过程需要环氧树脂的电气绝缘和高耐热性能。此外，环氧树脂还适用于变压器、衬套以及连接风机与电网的复合材料电缆。目前，欧洲风能组件占环氧树脂应用的最大部分，比例约占市场的 27%。

  航空航天 

航空航天工业中，环氧树脂是优良的反应固化型材料，与高性能纤维增强材料复合，便成为不可代替的结构基体材料。典型的纤维增强材料包括玻璃纤维、碳纤维、凯芙拉纤维和硼纤维。环氧树脂还可用作航空航天结构胶使用，在机械性能和耐环境侵蚀方面优于大多数其他类型的树脂。

石墨烯环氧树脂复合涂层

研究人员发现，在飞机机翼旋叶上包覆石墨烯和环氧树脂制成的复合材料涂层可有效除冰，实验表明在零下20℃的环境条件下，涂层仍可融化机翼旋叶上数厘米厚的冰层。该方法在除冰系统中属于主动式防冰法，相比化学防冰方法更为环保。

  工业摸具及复合材料 

环氧树脂在工业生产中有着重要应用，常用于制造模具、主模型、层压板、铸件和夹具等生产辅助工具。相比金属、木材等传统材料，环氧树脂模具不仅能提高生产效率，还能降低成本、缩短生产周期。同时，它也被广泛用于生产增强纤维和复合材料部件。尽管环氧树脂价格高于聚酯树脂和乙烯基酯树脂，但其生产的复合材料部件通常具有更高的强度和耐热性。

来源：加固邦