Biró, Odette

Nagy, Gábor

Szölössi, István

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Periodica Polytechnica (Budapest University of Technology and Economics)

UNTERSUCHUNG DER KATALYTISCH WIRKENDEN VERUNREINIGUNGEN VON EPOXYDHARZEN Von O. BIRG, G. NAGY und 1. SZÖLLÖSI Lehrstuhl für Kunststoff- und Gumiindustrie, Technische Universität, Budapest Eingegangen am 13. Februar 1978 Vorgelegt von Prof. Dr. Gy. HARDY In den fünfziger Jahren erschienen und verbreiteten sich in der Fern-meldetechnik die sog. gedruckten Schaltungen. Bei ihrer Fertigung werden Isolierplatten verwendet, die aus lamellaren Systemen mit zwei oder mehreren Komponenten bestehen [1, 2]. Auf Aufforderung der Villamosszigetelü- es Muanyaggyar (Fabrik für elektrische Isoliermittel und Kunststoffe) heteiligte sich unser Lehrstuhl an der Ausarbeitung des Herstellungsverfahl"en der mit Kupferfolien bedeckten lamellaren Platten, die als Grundstoff für gedruckte Schaltungen dienen. Als Bindemittel für die lamellaren Platten, entwickelten wir ein neuartiges Harz-system, das die Bedingungen dCI" Wärmebeständigkeit, Wasseraufnahme, Dm"chschlagsfestigkeit und weitere V orschl"iften erfüllte. Das System beruhte auf Epoxydhal"z- und Novolakbasis (Kurzhezeichnung ENOVOL-System). Das ung. Patent No. 152525/1967 bczeugt die Neuartigkeit der unter Anwendung des ENOVOL-Systems bereiteten lamellaren Platten. Die betl"iebsmäßige Pl"oduktion ging rasch und el"gebnisvoll VOl" sich. Die mz\\ischen aufgetauchten Procluktionsprobleme konnten hefriedigend gelöst werden. Im späteren traten jedoch Erscheinungen auf, die weiterer Untersu-chung bedurften. ENOVOL-Systeme aus nach ihren Gütekennwerten gleichen Epoxydhal'zen und demselben Novolakharz, ergaben nämlich Fertigprodukte, die sich unterschiedlich verhielten. Dies~ Erscheinung zu klären, war die Ziel-setzung dieser Arbeit. Untersuchssuhstanzen und Untersuchungsmethoden Zu den Versuchen wurde nntel" Betriebsverhältnissen bereitetes N ovolak-harz benutzt. Das Verhältnis Phenol-Formaldehyd-Salzsäure betrug 1 : 0,9 : : 0,01. Das durch isothermisc' Destillation [3] bestimmte Durchschnittsmol-gewicht des erhaltenen Harze:· ',etrug 500, der Gehalt an freiem Phenol, nach KOPPESCHAAR bestimmt, betTE;; 6,7%, der nach KR_~l\IER-SARNOW bestimmte Erweichungspunkt 78 oe. 278 O. BIR6 ct al. Tabelle 1 Kenndaten von Epoxydharzcn E dh poxy arztypen Kenndaten Eporesit Tipox Tipox Tipox Rütapox Aralclit F-17 400 400 400 0164 F Bezeichnung E T Tl T 2 R A Herkunft VSzM TVK TVK TVK Bakelite CIBA '(Ungarn) (Ungarn) (Ungarn) (Ungarn) GMBH Epoxyd-Äquivalent 189 190 180 222 194 200 Durchschnittsmolgewicht I 385 384 Chloridionengehalt (%) 0,004 0,003 Natriumgehalt (%) 0,004±1 0,005± 0,001 0,001 Wassergehalt (%) 0,11 0,15 0,10 0,24 Von verschiedenen Firmen hergestellte, ferner von derselben Fabrik erzeugte, jedoch aus verschiedenen Lieferungen stammende flüssige Epoxyd-harze mit niedrigem lVIolgewicht auf Dianbasis dienten als zweite Komponente. Die üblichen charakteristischen Daten dieser Harze sind aus Tab. 1 ersichtlich. Der ÄquivaIentwert des Epoxyds wurde mit der Pyridin-Chlorhydrat-lVIethode, der Wassergehalt nach Kar! FISCHER titrimetrisch bestimmt. Der Natriumgehalt wurde nach Veraschen und Lösen in 0,1 n Salzsäure mit einem Atomabsorptionsspektrometer Typ Unicam SP-9 GA. lmter Anwendung von Bezugslösungen von 0,1-4 ppm Natriumchlorid gemessen. Die lVIischsysteme wurden stets vor den Messungen frisch bereitet. Die Gelatinierungszeit des ENOVOL-Systems wurde nach der ung. Normvorschrift lVISz 13552 bei 160°C bestimmt. Um die sich in den verschiedenen lVIischsystemen abspielenden Reaktio-nen zu verfolgen und zur vergleichenden Charakterisierung der Wärmestabili-tät der Produkte "wurde als Basismethode die Derivatographie herangezogen. Die Untersuchungen erfolgten mit einem Derivatographen lVIOlVI G-425. Als Inertstoff diente geglühtes Aluminiumoxid, die Aufheizgeschwindigkeit betrug 3 °e/min. Es wurde in Luft bei kontinuierlichem Abzug gearbeitet. Versuchsergehnisse und Auswertung Die Gelatinierungszeiten und Derivatogramme von aus dem gleichen Novolakharz und: aus den in Tab. 1 angegebenen Epoxydharzen hergestellten ENOVOL-Systemen zeigten beträchtliche Abweichungen, die sich auf Grund KATAL YTISCH WIRKENDE VERUi,REINIGUNGK, VON EPOXl"DIlARZE., 279 der in Tab. 1 dargestellten Qualitätskenndaten nicht erklären ließen. Die Ver-läufe der thermischen Kurven der Epoxydharze selbst waren hingegen einander sehr ähnlich. Wenn sich auch kleine Unterschiede in den Temperaturen (10°C) und Höhen der Zersetzungsspitzen zeigten, kann aus diesen geringen Unterschieden überhaupt nicht auf die Eigenschaften der ENOVOL-Systeme geschlossen werden. Man konnte also nur annehmen, daß die unterschiedlichen Eigenschaften der Epoxydharze gleichen Typs durch die Anwesenheit katalytisch wirkende Verunreinigungen bzw. durch deren verschiedene Mengen verursacht werden. Zur Herstellung der Epoxydharze werden keine analysenreine Chemikalien benutzt, und auch während der Harzbildung entstehen Verbindungen, die eventuell einen bedeutenden katalytischen Einfluß auf die Epoxyd-Novolack-Reaktion ausüben können, da sie je nach der Art der Reinigung in mehr oder "weniger großen Mengen in der Substanz verbleiben. Mit der Wirkung der chlorhaltigen (Chlorid, hydrolysierbares Chlor, Gesamtchlor) Verunreinigungen der Epoxydharze befaßt sich die Literatur ein-gehend [4-6]. In der Arbeit von SCHLECHTER [6] findet man einen kurzen Hinweis, daß die löslichen Salze einer Base der freien Base ähnliche katalyti-sche Wirkung auf die Reaktion zwischen Phenyl-glycidyl"äther und Phenol ausüben. Wir fanden es deshalb z"weckmäßig, die Wirkung der bei der Herstel-lung zurückbleibenden Verunreinigungen Natriumacetat, Natriumchlorid und Wasser zu untersuchen. Salze (voraussichtlich vor allem das Natriumion) können in gelöstem, dissoziiertem Zustand eine katalitische Wirkung ausüben. Wasser, das in kleinen Mengen im Harz, in größeren Mengen im als Lösungsmittel des ENO-VOL-Systems dienenden denaturierten Alkohol vorkommt, vermag die Löslich-keit der Natriumsalze zu beeinflussen. Um die Wirkung dieser Substanzen von niedrigem Molgewicht auf das ENOVOL-System zu prüfen, wurden im ersten Schritt die Reaktionen zwischen der Epoxydgruppe und der phenolischen Hydroxylgruppe eingehender unter-sucht; zu diesem Zweck gebrauchte man statt des komplizierten, verschiedene Homologe enthaltenden Novolakharzes reines Phenol als Reaktionspartner des Epoxydharzes. Das läßt sich durch mehrere Gründe rechtfertigen: -- Novolack enthält immer freies Phenol, das je nach der Menge die Eigenschaften der ENOVOL-Systeme beeinflußen kann. Phenol ist sehr geeignet zum Nachvieis von katalytisch wirkenden Stoffen. Es wurde angegeben [6] ,daß ohne Katalysator keine Reaktion zwi-schen der Epoxydgruppe und der phenolischen Hydroxylgruppe unter 200°C stattfindet. Unsere derivatographischen Untersuchungen zeigten dasselbe. Das Phenol destilliert aus dem System weg, noch vorher es in Reaktion treten "wür-de. In Gegenwart von Katalysatoren reagiert es hingegen, von der Menge des Katalysators abhängend, in verschiedenen Maß mit dem Epoxyd. 280 O. BIRO et aJ. Das Verhältnis Epoxydharz : Phenol war stöchiometrisch: 1 : 2. Die ther-mischen Kurven zeigten, daß bei gewissen Harzen (E, Rund A) bei einer Tem-peratur von ungefähr 220 oe eine gut definierte exothermische Spitze auftritt, die der Epoxyd-Phenol-Reaktion zuzuschreiben ist (da die thermischen Kurven weder des Epoxydharzes noch des Phenols exothermische Vorgänge hier auf-weisen). Hingegen zeigten die thermischen Kurven von mit anderen Harzen (T, Tl und T 2) bereitenten phenolischen Mischungen keine exothermischen Vorgänge bei Temperaturen um 200 oe. Als Illustration des Gesagten sollen die DTA- und TG-Kurven der phenolischen Gemische der Harze E und T dienen (Abb. 1). Bei Gemischen, bei welchen die Epoxyd-Phenol-Reaktion ganz oder teil-weise verläuft, ist die über 300 oe auftretende, der Zersetzung des Epoxyds ent-sprechende exothermische Spitze [7] niedriger als bei den übrigen. In je stär-kerem Maße Phenol eingebaut wird, d. h. je höher die erste exothermische Spitze ist, um so niedriger ist die zweite, die der Epoxydzersetzung entsprechende Spitze (Tab. 2). 1 = T+Phenol 2: [+Phenol TG ~ '" "'"' ~ 20 ~ 40 '" ~ -\3 ?: 60 '" <.!J 80 100 2CO 300 1;00 I, [0C} Abb. 1. TG und DTG Kurven eines phenolischen Gemisches von Eporesit F 17 und Tipox 400 (IVfolverhältnis 1 : 2) KATALYTISCH WIRKENDE VERU1,REINIGUlVGEN vo;, EPOXYDHARZElV Tabelle 2 Aus den thermischen Kurven der Epoxyd-Phenol-Gemische ermittelte Daten Epoxyd-harz-Typen T Tl T~ E R A I DTA exothermische 1 _______________ S_p~i~-e ____ --____ -----,1. 11. 11 ~"yd-Phenol-Reaktion oe 1 rnm I 1 11 ~~~ 210 20 34 60 Epo:\.]dharzzersetzung 369 376 380 362 367 375 180 180 170 130 140 90 Phenoleinbau 0' /0 o 3 4 13 18 23 281 Die Menge des mit dem Epoxydharz reagierten Phenols errechneten wir allS dem bis zum Beginn der Zersetzung auftretenden Gewichtsverlust, in auf Epoxydharz bezogenen Prozenten. Der Phenoleinbau "war bei den untersuchten Proben sehr unterschiedlich (0-23%) (Abb. 2). Dies bedeutet auf Grund der besprochenen Erwägungen, daß die Menge der anwesenden, katalytisch "wirkenden Verunreinigung oder Verunreinigunge sehr verschieden ist. Bei den weiteren Versuchen wurden nur mehr zwei Epox-ydharze benutzt: Eporesit F-17 (E) und von den Tipox 400 Harzen jeniges (T), wo 0% Phenol-30 0"'-:::i Cl -0 C 20 "0:; Ci c Cl> -<::. "'-10 T+NaAc .. 1--, I I I I I I r---:: [ I I I I I I I I I I I I \~ I T J " I -Epoxidharz-Typen I -A Abb. 2. Phenoleinbau bei phenolischen Gemischen verschiedener Epoxydharze, errechnet aus den thermischen Kurven 282 o. BIRO et al. einbau beobachtet ·wurde. Die Daten in Tab. 1 zeigen, daß die Kenndaten die-ser beiden Harze beinahe gleich sind. Das Harz T ·wurde mit den vermuteten Verunreinigungen versetzt und geprüft, ob sich das Verhalten des Systems dem eines solchen nähert, von wel-chem angenommen wird schon ursprünglich verunreinigt gewesen zu sein. Zur Klärung der Wirktmg des Natriumacetats, "wurden sechs phenolische Gemische bereitet, in welchen der auf T gerechnete Natriumacetatgehalt 0,004,0,007,0,01,0,05, 0,1 und 1,0 Gewicht-% betrug. Aus den DTA-Kurven ist zu sehen (Abh. 3), daß mit zunehmenden Natriumacetatmengen die Tem-peratur der für die Epoxyd-Phenol-Reaktion charakteristischen exothermischen Spitze abnimmt, ihre Höhe wächst und dementsprechend auch die Menge des in das System eingehauten Phenols zunimmt (TG-Kurve, Tab. 3). Das Maß des Phenoleinbaues ist in Abb. 4 in Funktion der dem Epoxydharz zugesetzten Natriumacetatmenge dargestellt. Die Unterschiede in den Natriumionengehalten der untersuchten Epoxyd-harze ändern sich im Rahmen des Streuungs gebietes des angewandten analyti-schen Verfahrens. Die thermischen Untersuchungen heweisen hingegen ein-,,'2 ~ 20 'Vi .2 40 ~ ~ :;: u 60 :i '" '.:J 80 TG 1; 0.0 %NaAc 2; 0.007%NaAc 3; O.o5%NaAc 4; 1.O%NaAc 100 200 300 1,00 t,IOC] Abb. 3. TG- und DTG-Kurven von Systemen von verschiedenen Katriumazetatgehalten KATALYTISCH WIRKENDE VERUNREnVIGUNGEN VON EPOXYDHARZEN 283 Tabelle 3 Einfluss von Natriuma::etat auf die Reaktion zwischen Tipox 400 (T) und Phenol Natriumazetat I Temperatur der exo'l Phenoleinhau % thermischen Spitze (%) (0C) I I 0 I 0 0,004 255 12 0,007 238 I 16 0,01 235 21 0,05 195 I 25 0,1 185 29 1,0 150 45 deutig, daß auch so kleine Unterschiede in den Natriumionengehalten bedeu-tende Verschiedenheiten im Verhalten der Systeme verursachen können. In obigen Meßungen enthält Harz E etwa 0,006-0,007% Natriumacetat, das 0,002% Natrium entspricht. (Erste Kolonne in Ahb. 2). Die Derivatographie ist folglich eine sehr geeignete Methode zur Lösung dieses Problems. Mit Hilfe der thermischen Kurven der Epoxyd-Phenol-Gemi-sehe läßt sich feststellen, ob das Epoxydharz N atriumacetat-Verunreinigung enthält. Auf Ahb. 4 kann sogar auf die Menge der Verunreinigung annähernd gefolgert werden. Es mußte noch untersucht werden, ob der Phenoleinbau ausschließlich Folge des Natriumacetatgehalts oder ein etwaiger Natriumchloridgehalt dafür ebenfalls verantwortlich sei. A.hb. 5 zeigt den Phenoleinbau in Funktion der dem Epoxydharz zuge-setzten Natriumchloridmenge. Wie zu sehen, zeigen die thermischen Kurven JU,-------,--------,-------,--------,--------[ <5 c:: ~ 20 ~ ::> o .Q QJ Cl) ~ 10~f_----4--------+------~r_------+-------~ 0.02 o.o~ 0.06 0.08 0..1 Zu Harz T zugesetztes NaAc, % Abb. 4. Phenoleinbau iu Funktion der zum Epoxydharz zugesetzten Natriumacetatmenge 5 Periodica Polytechnica eh 22/3 284 O. BIRO et al. * ZOr--------.--------r--------,-------, o' c Ol ~ '" Ol "5 <::> ~ 10 h~---+----'f_---+---_I t» ·S ..... 2 6 8 Zu Harz T zugesetzte(NaCI, % Abb. 5. Phenoleinbau in Funktion der zum Epoxydharz zugesetzten Natriumchloridmenge qualitativ gleiche Erscheinungen, wie beim Natriumacetatzusatz, doch mit erheblichen quantitativen Unterschieden. Bei um zwei Größenordnungen höhe-ren Natriumchloridmengen sind die Effekte geringer als beim Natriumacetat. Die kataly1:ische Wirkung der beiden Natriumsalze ist folglich nichtäquivalent, Natriumacetat ist erheblich wirksamer. Den Schwankungen im Natriumacetat-gehalt sind die Unterschiede in den Reaktionen d~s Epoxydharzes mit Phenol zuzuschreiben. Der Chloridgehalt der handelsüblichen Epoxydharze unterbleibt im allgemeinen der Größenordnung 0,1 % und diese lVIenge verursacht laut Abb. 5 keinen derivatographisch wahrnehmbaren Phenoleinbau. Sofern das abweichende Verhalten der beiden Natriumsalze mit ihrer unterschiedlichen Löslichkeit erklärt wird, muß in Betracht genommen wer-den, daß das Lösungsmittel des ENOVOL-Systems, der denaturierte Alkohol etwa 5-10% Wasser enthält. Deshalb wurde der Einfluß von 0,05% NaCl auf die Reaktion zwischen Harz T und Phenol in Gegenwart von verschiedenen Mengen Wasscr untersucht. Wie in Abb. 6 zu sehen, nimmt die Reaktivität des Systems in Anwesenheit von 10% 'Wasser erheblich zu. Eine intensive exother-mische Spitze deutet die Reaktion an. In Gegenwart von Wasser 'wächst die in Reaktion tretende Phenolmenge und vermindert sich die Spitzenhöhe der für die Zersetzung der Epoxydgruppen charakteristischen exothermischen Spitze. Es wurde im weiteren untersucht, inwieweit die für die Modellreaktion Epoxydharz-Phenol gefundenen Beobachtungen auf das ENOVOL-System gül-tig sind. Bei dem Vergleich der thermischen Aufnahmen von Systemen aus ver-schiedenen Epoxydharzen waren die augenfälligsten Unterschiede in den Tem-peraturwerten der die Vernetzungsreaktion bedeutenden exothermischen Ma-xima zu beobachten, d. h. in der Geschwindigkeit der Vernetzungsreaktion. Stellt man die Temperaturen der DTA-Spitzen in einem Säulendiagramm dar, (Abb. 7) so findet man in den für den Vernetzungsvorgang kennzeichnen-KATALYTISCH WIRKENDE VERUSREL';ICW,CEN VON EPOXYDHARZEN -. e: 20 '" ::J -.:: 40 <l> ~ "0 .~ 60 '" \!J 80 .... , , , \ I \ I ' .... , ! \ I \" 1 = T + 0.05% NaC! tPMnol 2= T + 005%NaC/+tG%Wasser+Phenol TG 100. 200 300. 285 Abb. 6. Einfluß von Wasser auf die Reaktion z,~ischen Tipox 400 und Phenol in Gegenwart von 0,05% Natriumchlorid 260 TN ~ .~ 250. ~ ~N 72N t--~ EN <U 'C (5 >< t--<U ... <U "'t:> 21;0 c:i. TN+N~ RN t--E ~ AN Epoxidharz-Typen " Abb. 7. Temperatur der exothermischen Spitzen von Mischsystemen in Abhängigkeit von der Art des Epoxydharzes 5* 286 O. BIRO et aI. den Temperaturen bedeutende Unterschiede. Die Reaktivitätsreihenfolge stimmt mit der Reihenfolge des Phenoleinhaues (Abb. 2) überein. Ebenso ändern sich die Gelatinierungszeiten (Zeit B) (Ahb. 8). Harz T zeigt die nied-rigste Reaktivität (d. h. es ist am wenigsten verunreinigt), Araldit (A) die höchste, Harz E liegt in der Mitte. 50 ;--TN I--I--TrN !zN I--EN ~ ~O I--TNtN~ RN ~I -AN 1111 1II1 1111 :::" ~ Cl) c '" <.. '" ~ 30 -2 '" <D [poxidharz·Typen Abb. 8. Gelatinierungszeit von Mischsystcmen in Abhängigkeit der Art des Epoxydharzes Man konnte also feststellen, daß der Natriumazetatgehalt des Epoxyd-harzes bedeutenden Einfluß nicht nur auf die Reaktion mit Phenol, sondern auf die Vernetzungsreaktion mit N ovolackharz hat. Sofern Tipox 400 mit 0,007 % Natriumacetat versetzt, werden war, zeigten die Eigenschaften des erzeug-ten Produkts Ähnlichkeit mit denen des Harzes Eporesit F 17. Die gestrichel-ten Linien in den Abb. 7 und 8 zeigen daß der tatsächliche Unterschied im Nat-riumazetatgehalt der beiden Harze et'was weniger als 0.007% beträgt. Zusammenfassung Es läßt sich feststellen, daß die Menge der etwaigen Natriumsalz-Verunreinigungen der Epoxydharze von wesentlichem Einfluß auf die Reaktion zwischen der Epoxydgruppe und der phenolischen Hydroxylgruppe ist. Sowohl Natriumacetat, als auch Natriumchlorid üben eine katalytische Wirkung auf die Reaktion aus, es besteht jedoch ein bedeutender Unterschied in der :Menge der bei den Salze, mit gleicher Wirkung. Da der Chloridionengehalt der Epoxydharze von der Größenordnung 0,001 %, ihr Wasser-gehalt von 0,1% ist, besitzt in erster Linie der Natriumacetatgehalt, besser gesagt, der aus der Dissoziation des Salzes stammende Natriumionengehalt einen Einfluß auf die Reaktion. Die Anwesenheit von Wasser erhöht das :Maß der Dissoziation des Natriumchlorids, folglich auch dessen katalytische Wirkung. Wird also in stark wasserhaltigem :Medium gearbeitet, so erhöht der Natriumchloridgehalt des Systems den Reaktionsvorgang zwischen der Epoxydgruppe und der phenolische Hydroxylgruppen enthaltenden Verbindung in erheblichen Maß. KATALYTISCH WIRKENDE VERUNREINIGUJ'I'GEN PON EPOXYDHARZEN 287 Literatur 1. EISLER, P.: Technology of Printed Circuits, Hewood and Co. Ltd., London, 1959 2. SEIDEL, G.: Nyomtatott aramkörök. Müszaki Könyvkiad6, Budapest, 1961 3. SZILAGYI, J.-SZILAGYI J.-ne: Magyar Kemikusok Lapja, 4, 180 (1969) 4. LEE, H.-NEVILLE, K.: Handbook of Epoxy Resins, McGraw-Hill Book Co., London, 1967 5. SELLERS, R. F.-SMITH, S. G.: 27th Annual Techuical Conference 1972, Reinforced Plastics Composites Institute The Society of the Plastics Industry. 6. SCRECHTER, L. - WYNSTRA, J.: Ind. Eng. ehem., 48, ], 86 (1956) 7. ANDERSON, H. C.: Polymer, 2, 451 (1961) dr. Odette BIRO dr. Glihor NAGY dr. Istvlin SZÖLLÖSI I H-1521 Budapest 

UNTERSUCHUNG DER KATALYTISCH WIRKENDEN VERUNREINIGUNGEN VON EPOXYDHARZEN

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