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.     

对炔丙氧基苯基噁唑啉的合成及改性苯并噁嗪树脂的研究

通过四步法合成了对炔丙氧基苯基噁唑啉(p-propynyloxyphenyl-2-oxazoline简称POPO),采用核磁共振氢谱(1H-NMR)、傅立叶红外光谱(FTIR)、气相色谱质谱联用仪(GC-MS)和元素分析证实了其分子结构,以示差扫描量热仪(DSC)和热重分析(TGA)揭示了其固化行为和热分解性质,该化合物熔点为120℃,起始固化温度为200℃,固化峰值温度为280℃,自固化产物5 wt%热失重温度为321℃.在此基础上,通过溶液共混法制备了双酚A型苯并噁嗪(BZ)/对炔丙氧基苯基噁唑啉(POPO)共聚树脂,且对其固化机理、固化产物的热分解性质和动态力学性能进行考察.结果表明,该噁唑啉作为交联剂,与苯并噁嗪发生开环聚合和自身炔基发生三聚成环反应,使固化产物的交联密度增加,DSC、TG和动态热机械分析(DMA)表明噁唑啉的引入提高了固化树脂的热性能和动态力学性能.且在噁唑啉含量为10 wt%时,固化树脂的综合性能较优,较之纯的双酚A型苯并噁嗪树脂,起始固化温度从215℃降低至180℃,残碳率从28%提高至44%,玻璃化转变温度从166℃提高至186℃.     

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。     

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.     

适用于RTM成型聚酰亚胺材料研究进展

综述了适用于RTM成型耐高温聚酰亚胺材料的研究进展，主要包括降冰片烯酸酐（NA）封端的PMR聚酰亚胺树脂和使用苯乙炔基封端剂合成的酰亚胺低聚物，在这其中采用苯乙炔基封端剂合成的酰亚胺低聚物具有低的熔体粘度和良好的熔体稳定性，固化交联后的聚合物及树脂基复合材料具有良好的热性能和力学性能。本文介绍了上述聚合物化学合成、结构与性能之间的关系，并对适用于RTM成型耐高温聚酰亚胺材料的应用进行了简单介绍。     

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.     

含硅氧烷结构聚酰亚胺树脂的耐热稳定性及高温结构演变

基于含硅芳香二胺双(4-氨基苯氧基)二甲基硅烷(APDS)设计制备了系列苯乙炔基封端的含硅氧烷结构聚酰亚胺树脂预聚物(PEPA-PIS), 考察了硅氧烷含量对树脂固化物耐热稳定性的影响规律. 利用非反应性苯酐基团封端的模型预聚物(PA-PIS)证明了温度对于硅氧烷结构演变的影响. 通过对树脂固化物高温固化处理后耐热稳定性与微观结构和表面形貌的关系进行深入研究, 发现在高温下硅氧烷结构发生氧化交联反应, 并在树脂表面形成具有无机特性的二氧化硅结构, 这种有机/无机杂化特性可显著提高聚酰亚胺树脂的耐热稳定性.     

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.     

耐高温可溶性聚酰亚胺树脂及其复合材料

制备了2种耐高温可溶型聚酰亚胺树脂(PI-1, PI-2)及其复合材料, 系统研究了树脂的工艺性, 纯树脂固化物的热性能及其复合材料的界面形貌、 介电性能和力学性能. 研究结果表明, 树脂低聚物在极性非质子溶剂中具有良好的溶解性, 且熔体黏度较低, 表明其具有优异的加工性能. 两种树脂固化物在空气中的5%热失重温度均高于550 ℃, PI-1树脂的玻璃化转变温度(T_g)为430 ℃, PI-2树脂的T_g为380 ℃. 石英纤维/PI-1和石英纤维/PI-2复合材料具有较低的介电常数和介电损耗. 碳纤维/PI-1复合材料在420 ℃下的弯曲强度保持率可达62%, 层间剪切强度保持率可达48%, 具有较优异的高温力学性能. 采用普通模压工艺制备了厚度高达45 mm的复合材料制件, 进一步证明这2种树脂具有优异的工艺性.     

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%.     

聚氧硫杂蒽树脂固化特性及其动力学的研究

以DSC、TG等技术手段研究了聚氧硫杂蒽树脂 (POSPF)的固化特性及其动力学 .结果表明 ,用六次甲基四胺 间二氯苄作固化剂 ,加热至 10 5～ 2 2 5℃能使POSPF树脂固化 ,在固化过程树脂中的活性羟甲基和固化剂参与反应生成亚甲基桥从而形成网状体型结构 ;动态DSC曲线上出现宽的固化放热峰 ,用T β外推法确定其凝胶温度Ti=10 0 0℃、固化温度Tp=181 5℃、后固化温度Tf=2 2 5 7℃ .固化后树脂具有优良的耐热性 ,失重 5 %时热分解温度高达 4 0 3℃ .     

Dielectric properties of self‐catalytic interpenetrating polymer network based on modified bismaleimide and cyanate ester resins

Bismaleimide (BMI) resins with good thermal stability, fire resistance, low water absorption, and good retention of mechanical properties at elevated temperatures, especially in hot/wet environments, have attracted more attention in the electronic and aerospace industries. However, their relatively high dielectric constant limits their application in the aforementioned fields. In this work, a new promising approach is presented that consists of the formation of a self‐catalytic thermoset/thermoset interpenetrating polymer network. Interpenetrating polymer networks (IPNs) based on modified BMI resin (BMI/DBA) and cyanate ester (b10) were synthesized via prepolymerization followed by thermal curing. The self‐catalytic curing mechanism of BMI/DBA‐CE IPN resin systems was examined by differential scanning calorimetry. The dielectric properties of the cured BMI/DBA‐CE IPN resin systems were evaluated by a dielectric analyzer and shown in dielectric properties‐temperature‐log frequency three‐dimensional plots. The effect of temperature and frequency on the dielectric constant of the cured BMI/DBA‐CE IPN resin systems is discussed. The composition effect on the dielectric constant of the cured IPN resin systems was analyzed on the basis of Maxwell's equation and rule of mixture. The obtained BMI/DBA‐CE IPN resin systems have the combined advantages of low dielectric constant and loss, high‐temperature resistance, and good processability, which have many applications in the microelectronic and aerospace industries. © 2003 Wiley Periodicals, Inc. J Polym Sci Part B: Polym Phys 41: 1123–1134, 2003     

新型乙炔封端聚酰亚胺的制备及性能

用双酚A型二醚二酐(BPADA)和3-乙炔基苯胺(m-APA)进行缩聚反应合成了乙炔基封端的聚酰亚胺预聚体, 并对预聚体的熔体黏度、稳定性和热性能等进行研究. 结果表明, 此类预聚体具有较宽的加工窗口和较低的加工温度, 适合模压成型工艺制备树脂基复合材料. 预聚体经250 ℃固化后显示了优异的热性能, 动态力学分析显示其玻璃化转变温度为363 ℃, 在氮气和空气气氛下5%热失重温度分别为490和492 ℃.     

Flame retardancy and flame retarding mechanism of high performance hyperbranched polysiloxane modified bismaleimide/cyanate ester resin

A novel kind of modified bismaleimide/cyanate ester (BCE) resins by copolymerizing with hyperbranched polysiloxane including high content of phenyl (HBPSi) was first reported. The effect of HBPSi on the curing mechanism, and that on the dielectric properties and flame retardancy of cured networks were systemically investigated. Results show that compared with BCE resin, HBPSi/BCE resin has obviously different cross-linked structure, and thus leading to simultaneously improved dielectric properties and flame retardancy. The reactions between HBPSi and the decomposition structure of BCE resin change the thermo-oxidative degradation mechanism of the first step in the thermo-oxidative degradation; in addition, the presence of HBPSi in BCE resin also significantly reduces the mass loss rate (MLR) and increases char yield at 800 °C under an air atmosphere. Therefore, the positive effect of HBPSi on improving the flame retardancy is attributed to the condensed phase mechanism. On the other hand, HBPSi/BCE resins exhibit improved dielectric properties (including decreased dielectric constant and loss) with increasing the content of HBPSi. More importantly, this investigation demonstrates that designing new polysiloxane with suitable chemical structure is important to develop high performance resins with attractive flame retardancy and dielectric properties.     

Enhanced properties of phthalonitrile resins under lower curing temperature via complex curing agent

High curing temperature has been restricting the application and development of phthalonitrile resin. A complex curing agent containing melamine (ME) and ZnCl₂ was developed to promote the curing reaction of resorcinol‐based phthalonitrile resin (DPPH). The thermal stability of ME can be significantly enhanced via adding ZnCl₂, which was due to the interaction between ZnCl₂ and amino group in ME. Moreover, the activities of pristine ZnCl₂ and ME were improved via mixing, especially, the curing temperature for DPPH can be effectively reduced. Even at a curing temperature of 300°C, the 5% weight loss temperature of the resulting resin cured with complex curing agent still exceeded 500°C, which was much higher than those with pristine curing agents. In addition, the good long‐term oxidation stability and relatively low water absorption can also be obtained in the resins cured with novel curing agent. This work affords a facile route for designing high‐performance curing agent to improve the curing process of phthalonitrile resin.     

基于多层结构设计的高储能密度氧化石墨烯/聚酰亚胺复合材料

采用逐层涂布、 分层控制固化程度的方法, 利用聚酰胺酸(PAA, 聚酰亚胺前体)溶液和含有氧化石墨烯（GO）的PAA溶液制备了一系列由高绝缘性PI层与GO@PI介电层交替组合而成的界面清晰且紧密衔接的多层复合薄膜. 通过调控介电层中GO含量及分层结构, 使多层复合薄膜兼具高介电常数和高击穿强度特征. 结果表明, 三层复合薄膜PI/1.0GO@PI/PI的击穿强度为261.5 kV/mm, 储能密度达到1.27 J/cm³, 与相同介电层厚度的单层薄膜相比, 击穿强度和储能密度分别提高了97%和144%, 同时, 其介电损耗也保持在较低水平(tanδ=0.0079). 绝缘层和高介电常数层的协同作用提升了氧化石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜的储能密度. 这种简单的多层结构设计有利于氧化石墨烯/聚合物复合材料在介质储能领域的应用.