双官能度手性和消旋苯并噁嗪的合成及热性能研究

采用无溶剂法合成了新型双酚A和双酚AF(六氟双酚A)基手性和消旋苯并噁嗪单体,利用红外光谱(FTIR)、核磁共振氢谱(1H-NMR)、旋光仪和高效液相色谱(HPLC)对单体结构和性质进行了表征,通过差式扫描量热仪(DSC)和热重分析仪(TGA)对苯并噁嗪的固化行为及聚合物的热性能进行了研究.结果表明,无溶剂法合成苯并噁嗪单体具有反应速度快、产率高、对环境友好等特点;双官能度消旋苯并噁嗪单体由内消旋和外消旋异构体组成,且内消旋苯并噁嗪单体含量高于外消旋;手性和消旋苯并噁嗪单体具有相同的开环聚合行为;由于消旋苯并噁嗪分子的立体构型不同,使得聚苯并噁嗪的自由体积减小,分子链的堆积更加致密,因而消旋聚苯并噁嗪的玻璃化转变温度(Tg)和热稳定性均高于手性聚苯并噁嗪和传统的双酚A-苯胺型聚苯并噁嗪;此外,C—F键具有高的解离能,因而双酚AF基聚苯并噁嗪的热性能显著提高.     

聚苯并噁嗪/POSS杂化材料

苯并噁嗪是一类新型的热固性树脂,它以良好的机械性能、热稳定性、可加工性、分子可设计性以及固化无小分子释放等优点而备受关注。然而,苯并噁嗪树脂存在的脆性大、韧性差等不足也是其研究改进的焦点。本文概述了近年苯并噁嗪树脂的研究进展,着重介绍了课题组在聚苯并噁嗪/POSS杂化材料方面的研究思路和具体实例。聚苯并噁嗪/POSS杂化材料研究结果表明,杂化结构的引入能明显改善苯并噁嗪树脂的综合性能,这对苯并噁嗪树脂及其复合材料以及其它热固性树脂体系的研究具有一定的指导意义。     

基于乙炔基-苯并噁嗪单元双重交联反应的聚酰亚胺树脂的制备与性能

为开发可低温固化的聚酰亚胺树脂, 通过分子结构设计将苯并噁嗪单元引入聚酰亚胺树脂中, 合成了含苯并噁嗪单元及乙炔基封端的双官能化新型聚酰亚胺预聚体(PIBzA). 经高温处理, 苯并噁嗪单元发生开环交联, 同时, 乙炔基端基发生三聚成环反应, 从而在固化树脂中形成双重交联网络结构. 苯并噁嗪单元的引入使聚酰亚胺树脂最快固化反应温度降低约32 ℃, 有效降低了固化温度. 同时, 苯并噁嗪单元的引入未大幅度降低树脂的耐热稳定性, 其玻璃化转变温度(T_g)介于266~290 ℃之间, 5%热失重温度(T_d,5%)接近500 ℃, 依然可以满足耐高温复合材料的应用需求. 此外, PIBzA固化树脂具有低介电特性, 其介电常数k介于2.3~3.0, 介电损耗介于0.002~0.008, 可满足透波复合材料及先进微电子封装材料的应用需求.     

聚苯并噁嗪高性能化:分子设计、合金与纳米复合物

聚苯并噁嗪通过环状苯并噁嗪单体热诱导开环聚合得到,作为一种新型的酚醛树脂,不仅具有传统酚醛树脂的耐热、低吸水性等性质,还具有传统酚醛树脂不具备的性能,如分子设计的灵活性、固化反应没有小分子副产物产生、优异的尺寸稳定性以及良好的阻燃性能,在微电子、印刷电路板、电子封装以及航空航天等高技术领域具有广阔的应用前景.然而,聚苯并噁嗪缺点是固化温度高、固化材料脆性大.本文介绍了聚苯并噁嗪性能增强的各种方法,包括新型单体分子设计、引入可交联单元、高相对分子质量聚合物前体制备、聚合物合金化、纳米复合等.最近,石墨烯和笼型聚倍半硅氧烷(POSS)与聚苯并噁嗪复合材料因具有优异的热性能和电学性能,成为先进电子材料的潜力材料.     

含双螺环三聚磷腈单元的苯并噁嗪树脂的结构和热稳定性

以双螺环取代三聚磷腈基双苯甲酰氯和4-氨基(N-苯基)苯并噁嗪单体为原料合成了一种含双螺环取代三聚磷腈结构单元的苯并噁嗪树脂单体(HCP-5);采用傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)和核磁共振谱仪(1 H NMR,13 C NMR,31P NMR)表征了苯并噁嗪树脂单体的结构,基于FT-IR和示差扫描量热法研究了其固化行为,并利用热重分析和示差热重分析研究了HCP-5树脂单体、均聚物及其与双酚A型苯并噁嗪树脂(Bz)共聚物的热稳定性.结果表明,HCP-5均聚物具有很好的热稳定性和成炭性,其在317℃下的热失重为5%,在800℃下的残炭率为50%,可用于普通苯并噁嗪树脂改性.此外,HCP-5/Bz(1∶1;质量分数)共聚物在332℃下的热失重为5%,在800℃下的残炭率为48%.     

新型生物基苯并嗪的合成及性能

以生物基糠胺、 酚酞和多聚甲醛为原料, 制备了一种新型生物基苯并噁嗪树脂——酚酞糠胺型苯并噁嗪树脂(PPTL-F-BOZ), 采用FTIR, ¹H NMR和 ¹³C NMR等手段对其单体PTL-F-BOZ的结构进行了表征, 并对其固化反应、 耐热和阻燃性能进行分析. 结果表明, 与传统的化石基双酚型苯并噁嗪——双酚A苯胺型苯并噁嗪(BPA-A-BOZ)相比, PTL-F-BOZ显示出较低的固化反应温度, 且糠胺中呋喃环的存在会增加聚合物的交联密度, 并减缓苯氧结构向苯酚结构的重排反应, 致使其在DSC曲线中出现了2个固化峰. PPTL-F-BOZ树脂具有较高的T_5%(质量损失5%的温度)和800 ℃的残炭率, 其极限氧指数(LOI)高达36.2%, 在垂直燃烧中达到V-0等级, 表现出优异的热稳定性和阻燃性能.     

3-甲基邻苯二酚/糠胺型聚苯并噁嗪的制备与性能

通过分子设计合成了含有酚羟基的3-甲基邻苯二酚/糠胺型苯并噁嗪(M-f). 通过差示扫描量热法(DSC)测得M-f的放热峰值温度(T_p)为172 ℃, 而间甲酚/糠胺型苯并噁嗪(MC-f)的T_p为244 ℃, 表明酚羟基的引入有利于降低苯并噁嗪的开环固化温度. 通过非等温DSC法研究2种苯并噁嗪单体的固化动力学, Kissinger法和Ozawa法的计算结果均表明M-f的表观活化能低于MC-f. 此外, 通过拉伸剪切强度测试考察了聚苯并噁嗪对于金属基材的黏附性能, M-f聚合物对于铝和低碳钢基材的拉伸剪切强度分别为2.53 MPa和3.09 MPa, 均高于MC-f聚合物.     

新型侧链含氟苯并噁嗪的合成及其性能的研究

采用简洁的方法,合成了一种新型侧链含长氟碳链的苯并噁嗪单体(M1),并研究了其热固化反应和固化产物的性能.结果表明,M1的起始固化温度为257℃,但当加入5 wt%的咪唑催化剂后,其固化起始温度降低至183℃.M1聚合物具有优异的热稳定性,在氮气氛中其5%和10%热重损失温度分别为337和382℃,800℃碳残余率为45.9%.该固化树脂亦具有良好的介电性能,在1 MHz频率下其介电常数为3.78.常温下固化树脂的吸水率小于1%,表面自由能为6.98 mN/m.以上结果表明侧链含氟的苯并噁嗪有望成为一种性能优异的新型绝缘材料.     

含硅芳炔树脂/苯并噁嗪/氰酸酯三元聚合体系研究

以双酚A型氰酸酯(BADCy)和含炔丙氧基苯并噁嗪(P-appe)为改性剂,通过与含硅芳炔树脂(PSA)的溶液混合与浓缩制备了含硅芳炔树脂/氰酸酯/苯并噁嗪三元共混体系(PPB),研究了该共混体系的热固化过程、共混树脂的热稳定性和动态力学性能、弯曲性能和冲击性能.结果表明,开环后的苯并噁嗪能催化氰酸酯的环三聚反应,可降低氰酸酯的固化温度;PPB热固化中三嗪环可与噁嗪环反应形成氰酸酯与苯并噁嗪共聚;当PPB树脂中PSA树脂的质量分数为70%时,三元共混树脂浇铸体在氮气中质量损失5%的温度(Td5)高于500oC,玻璃化转变温度高于450oC;BADCy/P-appe改性PSA树脂的三元共混体系相容性好,共混树脂浇铸体PPB-5的弯曲强度较PSA树脂提高了115%,冲击强度提升了104%,断裂面出现明显的韧性断裂特征.     

二维红外相关光谱研究二胺型苯并噁嗪树脂的热固化机理

以原位红外加热附件(in situ FTIR)跟踪二胺型苯并噁嗪树脂的交联固化过程,用二维红外相关光谱(2D-IR)研究其固化机理.In situ FTIR系列图谱显示苯并噁嗪发生热开环反应后,生成的中间体以两种形式存在,含有C N键的中间体不再继续链的增长,其中一部分在高温下发生裂解反应,生成含有亚胺正离子C N+的Schiff碱;含有碳正离子的中间体继续发生交联聚合反应,生成含有羟基、三取代芳香醚和Mannich桥结构的自聚产物.通过2D-IR的分析,进一步给出固化过程中关键基团的变化顺序,确定了二胺型苯并噁嗪树脂的自聚产物结构含有三取代芳香醚和Mannich桥结构.