一種模具用力致變色環氧樹脂材料及其制備方法和應用

本發明屬于環氧樹脂材料，尤其涉及一種模具用力致變色環氧樹脂材料及其制備方法和應用。

背景技術：

1、環氧樹脂，因其出色的機械性能、粘接力以及化學穩定性，已被廣泛應用于多種工業領域，包括精密模具制造、高性能涂層、航空航天部件以及電子封裝等。盡管環氧樹脂在許多方面表現優異，但其固有的脆性以及在面對意外沖擊或過載操作時缺乏有效損傷預警機制，限制了其在高風險應用場景下的使用。

2、在工業生產和日常應用中，模具通常需要承受重復的機械應力和環境挑戰，如高溫和化學腐蝕等。傳統的環氧樹脂模具在損傷初期難以被檢測到，當可見損傷發生時，通常已對生產流程或產品質量造成不可逆損害。因此，開發一種具有自我指示損傷的環氧樹脂模具是非常必要的，它可以在損傷發生的初期階段提供明顯的視覺或其他感知信號，從而允許及時的維護或更換，極大地提高設備的運行安全性和經濟效率。

3、此外，隨著科技的進步和工業標準的提高，對模具的要求也在不斷升級。高性能模具不僅需要有優異的機械和熱性能，還應具備高度的可靠性和預測性。在航空航天、高速運輸及精密電子等領域，環氧樹脂模具的損傷預警功能顯著提升整個系統的安全性和穩定性，但這是采用傳統材料難以實現的。

4、因此，非常迫切開發一種新的模具用力致變色環氧樹脂材料，使之能在受到損傷時通過顏色的改變迅速反饋，可以實現損傷的早期檢測，而采用這種材料制備的環氧樹脂模具也將填補傳統環氧樹脂模具在安全預警方面的空白。

5、綜上，非常有必要提供一種模具用力致變色環氧樹脂材料及其制備方法和應用。

技術實現思路

1、為了解決現有技術存在的一個或者多個技術問題，本發明提供了一種模具用力致變色環氧樹脂材料及其制備方法和應用。本發明能顯著提高模具用材料的受力顯色效果和加強熒光開啟響應，適用于損傷檢測和/或損傷預警，且能提高材料的彎曲強度和硬度。

2、本發明在第一方面提供了一種模具用力致變色環氧樹脂材料，所述模具用力致變色環氧樹脂材料包含力致變色環氧樹脂、聚酰胺固化劑、促進劑和水相填料；所述力致變色環氧樹脂的制備包括如下步驟：

3、(1)用無水乙醇將羅丹明6g與乙二胺混合均勻后進行回流反應，再經過濾、洗滌與干燥，得到改性羅丹明；

4、(2)將改性羅丹明與環氧樹脂混合均勻后在130～180℃處理2～4h，得到羅丹明改性環氧樹脂；

5、(3)將羅丹明改性環氧樹脂和固化劑混合均勻，得到第一混合料，然后往第一混合料中加入納米氧化鋁并混合均勻，得到第二混合料，然后將第二混合料在60～100℃下攪拌處理，得到粘度為40000～45000cps的力致變色環氧樹脂。

6、優選地，所述羅丹明6g與所述乙二胺的摩爾比為1：(3.5～4.5)；所述無水乙醇與所述羅丹明6g的質量比為(10～15)：1；和/或所述回流反應的溫度為70～90℃，所述回流反應的時間為18～30h。

7、優選地，所述環氧樹脂為雙酚a型環氧樹脂；和/或所述改性羅丹明與所述環氧樹脂的質量比為1：(15～25)。

8、優選地，在步驟(3)中：所述固化劑為酸酐類固化劑和/或胺類固化劑；所述羅丹明改性環氧樹脂和固化劑的質量比為100：(20～40)：(1～5)；和/或所述第一混合料與所述納米氧化鋁的質量比為100：(20～70)。

9、優選地，所述攪拌處理的攪拌轉速為100～400r/min。

10、優選地，所述模具用力致變色環氧樹脂材料還包含雙酚f型環氧樹脂，所述力致變色環氧樹脂與所述雙酚f型環氧樹脂的質量比為10：(2～8)；所述力致變色環氧樹脂、所述聚酰胺固化劑、所述促進劑與所述水相填料的質量比為10：(3～8)：(0.5～1.5)：(50～80)；和/或所述水相填料包含質量比為(15～25)：(5～15)：(5～15)：(20～30)的親水型氣相二氧化硅、沉淀法白炭黑、納米二氧化鈦和水。

11、優選地，所述聚酰胺固化劑為聚酰胺環氧固化劑5140和/或聚酰胺環氧固化劑2636；和/或所述促進劑為2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚。

12、本發明在第二方面提供了本發明在第一方面所述的模具用力致變色環氧樹脂材料的制備方法，所述方法包括如下步驟：

13、(a)用水將親水型氣相二氧化硅、沉淀法白炭黑和納米二氧化鈦混合均勻，得到水相填料；

14、(b)將力致變色環氧樹脂、聚酰胺固化劑和促進劑混合均勻，然后加入水相填料并混合均勻，得到模具用力致變色環氧樹脂材料。

15、優選地，在步驟(b)中，還加入有雙酚f型環氧樹脂。

16、本發明在第三方面提供了本發明在第一方面所述的模具用力致變色環氧樹脂材料或由本發明在第二方面所述的制備方法制得的模具用力致變色環氧樹脂材料在制備用于損傷檢測和/或損傷預警的環氧樹脂模具中的應用。

17、本發明與現有技術相比至少具有如下的有益效果：

18、(1)本發明提供了一種用于損傷檢測和/或損傷預警的模具用力致變色環氧樹脂材料，本發明通過引入力致變色環氧樹脂，實現了對力學應力的直觀響應，增強了損傷可視化能力，使損傷在早期即可通過顏色變化進行直接可視化，從而及時警示操作人員或自動監測系統，解決了傳統環氧樹脂模具在實際應用中，尤其是在承受重復負載或暴露于惡劣環境下，其微小裂紋或損傷往往難以肉眼直接觀察的問題；本發明在不影響環氧樹脂本身機械性能和化學穩定性的前提下，通過優化羅丹明與環氧樹脂的結合方式使得引入的力致變色環氧樹脂能夠實現高度可逆的色變效果，引入的力致變色環氧樹脂在反復受力后仍能保持良好的顏色變化特性，能夠保證制備的環氧樹脂模具在長期使用中的實用性。

19、(2)本發明模具用力致變色環氧樹脂材料包含的力致變色環氧樹脂是一種羅丹明力致變色力敏團改性的環氧樹脂與納米氧化鋁結合的復合材料，是一種顯色及熒光響應更明顯的機械力響應復合材料，通過羅丹明力敏團改性與加入納米氧化鋁相結合的方式能顯著提高受力顯色效果和加強熒光開啟響應而又不犧牲其機械性能，不僅提高了環氧樹脂模具對于微小應力變化的敏感性，還能通過顏色變化的范圍和深度更精確地評估損傷的程度和潛在風險，提高了損失檢測的精確性和靈敏度，而常規僅混合有羅丹明的環氧樹脂常常存在響應延遲或不足夠靈敏的問題；本發明中的力致變色環氧樹脂不僅改善了羅丹明改性環氧樹脂的受力后顯色效果，還保持了優良的機械性能，保證了本發明中的模具用力致變色環氧樹脂材料在極端條件下的穩定性，能夠避免環境因素影響其變色性能和機械強度；本發明能夠顯著提升制備的環氧樹脂模具在工業應用中的安全性、可靠性和維護效率，為用戶和制造商帶來實質性的益處。

20、(3)本發明中的模具用力致變色環氧樹脂材料包含的力致變色環氧樹脂中復合有羅丹明改性環氧樹脂和納米氧化鋁，本發明發現，這兩者并不是單獨作用的，羅丹明改性環氧樹脂相比常規環氧樹脂能夠提高納米氧化鋁的分散均勻性，能夠有效防止納米氧化鋁沉降；而納米氧化鋁的加入則可以有效提高羅丹明改性環氧樹脂的受力顯色效果，這是本發明首次發現的；雖然現有技術中有往環氧樹脂中填充氧化鋁來提高環氧樹脂的導熱系數、介電常數和耐候性等，但從未報道納米氧化鋁能夠對羅丹明改性環氧樹脂的受力變色情況及熒光開啟響應起到促進作用。

21、(4)本發明為了進一步解決力致變色環氧樹脂材料中的氧化鋁顆粒沉降明顯的問題，本發明在制備力致變色環氧樹脂的過程中，通過對第二混合料進行攪拌處理，得到粘度控制在40000～45000cps的力致變色環氧樹脂，優化了后續力致變色環氧樹脂的固化工藝，本發明發現，通過使力致變色環氧樹脂的粘度控制在40000～45000cps，有效增加了納米氧化鋁顆粒沉降的粘滯阻力，在不改變力致變色環氧樹脂成分的基礎上，經過這一攪拌處理預交聯操作，明顯增強了羅丹明改性環氧樹脂與納米氧化鋁的界面結合度，明顯提高了納米氧化鋁在羅丹明改性環氧樹脂中的分散性和均勻性，能夠有效解決納米氧化鋁填料沉降的問題，由于制備了沉降率更低、材質更加均勻的力致變色環氧樹脂，從而也有效保證了最終制備的模具用力致變色環氧樹脂材料性能的均一性，從而也有利于提高其力致變色特性以及力學性能。