不同结构的含硅芳炔树脂共混改性研究.pdf

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不同结构的含硅芳炔树脂共混改性研究1 不同结构的含硅芳炔树脂共混改性研究2 不同结构的含硅芳炔树脂共混改性研究3 不同结构的含硅芳炔树脂共混改性研究4 不同结构的含硅芳炔树脂共混改性研究5 不同结构的含硅芳炔树脂共混改性研究6
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2016年第7期玻璃钢/复合材料63不同结构的含硅芳炔树脂共混改性研究蒋孝杰,邓诗峰,杜磊(特种功能高分子材料及相关技术教育部重点实验室,华东理工大学,上海200237)摘要:含硅芳炔(PSA)树脂是一种新型耐高温树脂,固化后具有优良的力学性能和透波性。PSA树脂一般采用格氏试剂法制备,该方法制备的PSA(PSA.G)树脂固化后交联密度高,脆性较大。锌粉催化法是一种新型、高效的PSA合成方法。该方——法合成的PSA(PSAZn)树脂末端含有部分烯键,树脂粘度低,交联密度小,脆性相对较小,但耐热性相对PSAG树脂有所降——低。采用PSAG共混PSA.Zn得到改性树脂,研究了改性树脂的固化工艺、粘度、耐热性以及PSAZn质量分数为70%的改性—树脂复合材料和树脂浇铸体的力学性能。研究结果表明PSAZn含量为70%的共混树脂粘度较低,为122mPa・S;热分解5%时—的温度()达564 ̄C,耐热性较好;复合材料具有良好的力学性能,浇铸体弯曲强度比PSAG提高了11%。关键词:含硅芳炔;共混改性;耐高温;复合材料中图分类号:TB332文献标识码:A——文章编号:10030999(2016)07-0063061前言—“”含硅芳炔(Poly(silylenearylacetylene,简称PSA)树脂是在芳基多炔树脂中引入硅元素后形成的一类新型有机一无机杂化树脂。树脂固化后具有优异的耐热性、介电性能与高温瓷化性¨。PSA树脂的高温力学性能也展示了它在航空航天领域的应用前景,引起各国学者的关注。。国外对类似PSA树脂的合成研究起步较早。Itoh等分别用MgO和格氏试剂催化制备了含硅—氢基团的苯基芳炔树脂(MitsuiSiliconcontaining“”Polymer,简称MSP)。Liu等¨以CuCI/胺为催化剂催化制备了含硅芳炔树脂。Maeorg等用锌粉催化苯乙炔与三甲基氯硅烷反应形成硅炔化合物。国内华东理工大学课题组,。也设计并合成了一系列不同主链结构的含硅芳炔树脂。沈浩等将锌粉催化的方法拓展到双官能团反应得到大分子链末端含有部分烯键的PSA树脂。—采用格氏试剂法制备的PSA树脂(PSAG)具有优异的耐热性(大于600 ̄C)与良好的机械性能,但格氏试剂法制备PSA时需无水、无氧,合成过程复杂,并且格氏试剂引发时放热剧烈,大规模反应—难以控制。另外,PSAG树脂固化后交联密度大,脆性较大。锌粉催化制备的PSA树脂(PSA-Zn)虽然耐热性有所降低,但机械性能良好,制备工艺简单,—反应过程无明显放热现象,容易控制。PSAZn常温下为液态,在加工温度下具有很低的粘度,而烯键的存在使树脂固化后交联密度降低。国内外针对芳基多炔类树脂的力学性能改善做了许多研究,其中用其他耐高温树脂共}昆改性是一种较好的方法。WangMC等钊合成了一种含炔丙基的新型树脂,并与芳基乙炔(PAA)树脂共混,有效地提高了复合材料的力学性能。WangS等采用酚醛树脂共混PAA,也较好地提升了PAA树脂的力学性能。黄健翔等¨副和汤乐曼等分别用不同的嗯嗪类树脂改性PSA树脂,均取得了不错的改性效果。齐会民等叫用双马来酰胺树脂和催化剂过氧化二异丙苯(DCP)改性PSA树脂,使树脂的流动性和弯曲强度有所提高。李晓杰等合成了端乙炔基聚醚酰亚胺并与PSA树脂共混得到改性树脂,较好地提高了树脂的抗弯曲强度。由于添加的树脂耐热性不高,共混树脂耐热性相应地降低许多。PSA.zn与PSA.G结构相近,相容性较好,直接共混既可—提高PSAZn的耐热性也可改善PSA.G的力学性能。本研究工作通过研究共混树脂的固化行为、粘度、耐热性等确定合适的树脂共混比例,并表征了石英纤维增强复合材料和树脂浇铸体的力学性能。2实验2.1实验原料“”二乙炔基苯(Diethynylbenzene,简称DEB),—收稿日期:2016.0112作者简介:蒋孝杰(1990一),男,硕士研究生,主要从事耐高温树脂的合成及性能研究相关工作。通讯作者:邓诗峰,男,博士,副教授,主要从事耐高温树脂及薄透材料的研究,sfdeng@ecust.edu.cn。—B|2・_不同结构的含硅芳炔树脂共混改性研究2016年7月纯度为99.5%,上海立科药物化学有限公司;锌粉,分析纯,国药集团;二甲基二氯硅烷(Dimethyldiehlo.“”rosilane,简称DCMS)、四氢呋喃(THF),分析纯,上海泰坦科技股份有限公司;乙腈(MeCN),高效液相色谱纯,永华化学科技(江苏)有限公司;甲苯、盐酸、无水硫酸钠,分析纯,上海凌峰化学试剂有限公司;B型石英纤维平纹布(0.14ram),纤维抗拉强度为3600MPa,抗拉模量为78GPa,伸长率为4.6%,湖北省菲利华石英纤维股份有限公司;PSA-G,华东理工大学自制。—2.2PSAZn的合成采用锌粉催化DEB和DCMS合成PSA.Zn并提纯¨。产物结构如图1所示。f/一\CH{,一、十—一t一十托,一一1cHj”—图1PSAZn的分子结构—Fig.1MolecularStructureofPSAZn2.3共混树脂浇铸体以及共混树脂固化物的制备——称取一定量PSAG和PSAZn,熔融后搅拌混合℃均匀倒入模具中,放于真空烘箱中,13O脱泡。取适量树脂固化,得到共混树脂固化物。浇铸体树脂固化冷却脱模后,制成标准样条进行测试。样条制备标准为GB/T2570--1995。样条测试结果为五根取平均值。2.4共混树脂复合材料的制备—称取一定量的PSA.G和PSAZn,溶于THF配置成37%树脂溶液。将纤维浸渍,放于通风阴凉处待溶剂挥发至浸渍液不再流动,真空烘箱中70 ̄C下4h脱除溶剂。将纤维布.树脂预浸料放于平板硫化机上,加压固化成型。根据GB/T335611999标准制样和测试,测试结果为五根取平均值。2.5分析与表征DSC分析采用TA公司Q2000差示扫描量热仪,升温速率为10 ̄c/min,40~400,氮气气氛;TGA分析采用梅特勒.托利多公司TGA/DSC1热重分析仪,升温速率为10 ̄C/min,40~1000 ̄C,氮气气—氛;HNMR分析采用Bruker公司AVANCE500型核磁共振波谱仪,溶剂为氘代氯仿,TMS做内标;树FRP/CM2016.No.7脂的粘度分析采用美国博勒飞公司DV.II+Pm型旋转粘度计,测试温度为1IO ̄C;复合材料的制备采用的平板硫化机为XLB型,上海齐才液压机械有限公司;复合材料和树脂浇铸体的弯曲性能测试采用上海德杰仪器公司的DXLL.5000型电子拉力试验机,—测试标准分别为GB/T3356--1999和GB/T25701995。SEM分析采用日立公司S-3400N扫描电镜。3结果与讨论3.1共混树脂的耐热性——图2所示分别为PSAZn和PSA.G的HNMR谱图。如图所示,树脂中苯环上各氢的化学位移在1和1处(7.1O一7.60ppm),末端炔氢的化学位移分别在2和2处(3.00ppm),硅甲基氢的化学位移在4—和4处(0.40ppm),PSAZn末端烯上三个氢的化学位移在5处(5.20ppm,5.70ppm,6.60ppm),3和3处(2.35ppm)是溶剂甲苯的甲基氢。PSA树脂的固—化主要以炔键的环三聚为主_2,由图2可知,PSAZn含有末端烯键,热固化时烯键不能环聚成稳定的——芳环结构,因此PSAZn的耐热性比PSAG有所降低。8765432l06/ppm——图2PSAG和PSAZn核磁共振氢谱——Fig.2HNMRspectrumofPSAGandPSA.ZnPSA结构中含有较多炔键,固化放热量大,且随着组分的变动,树脂的固化行为可能也会不同。图——3为PSAG、PSAZn和共混树脂(PSA.Zn质量分数为70%)的DSC曲线。2016年第7期玻璃钢/复合材料65050100150200250300350400Temperature/"(2—图3PSAG、PSA-Zn和共混树脂—(PSAZn质量分数为70%)差示扫描量热曲线—Fig.3DSCcurveofPSA・G,PSAZnandmixtureresin(PSA・Znscontentis70wt%)由图3可知,虽然组分不同,但树脂有着相似的℃固化行为,起始固化温度约为170,固化峰值温度℃℃约为236,固化终止温度约为257。树脂固化放热量在560~640J/g之间。可以推断其余不同比例的共混树脂也有着相似的固化放热行为。树脂固化过程放热较大,需逐步升温固化。根据DSC曲线可推测树脂固化工艺为:150 ̄C预聚2h,170 ̄C预聚2h,210 ̄C聚合2h,250 ̄C聚合4h。其余比例树脂因结构相近都可按此工艺固化。——由于PSA.Zn的耐热性不如PSAG,PSAZn的加入会降低树脂的耐热性,需确定一个合适的树脂配比以保证树脂的耐热性。将树脂配成不同比例的—共混树脂,固化后做TGA测试。图4为不同PSAZn含量的树脂固化物的热重曲线,表1为各树脂和800 ̄C时的质量残余率(1,8。。)。02004O06008ool000Temperature/ ̄C—图4不同PSAZn含量的树脂固化物的热重曲线(N)Fig.4TGACHIveofcuredresinwithdifferentweightpercentageofPSA-Zn(N2)表1不同质量配比的共混树脂固化物和。。(N:)℃Table15andy800ofcuredresinwithdifferentweightpercentageofPSA-Zn(N2)由图4和表1可以看出,随着PSA.Zn含量的降低,PSA-G含量的升高,树脂的和y8。。逐渐增—加,耐热性逐渐提高,并且随着PSAG含量的增—加基本呈线性增加。当PSAG含量为30%的时候,共混树脂的已提高近40 ̄C。当PSA.G含量为—60%时,共混树脂的已和纯PSAG非常接近。3.2共混树脂的粘度PSA树脂可采用模压成型或RTM成型,RTM成型时在加工温度下树脂应有一个合适的粘度,粘度过高会导致树脂和纤维浸润困难,而粘度太低会导致树脂不稳定流动和扩散,产生孔隙。在保证—共混树脂有合适耐热性的前提下,分别测试了PSAzn含量为70%、60%和50%的三个共混树脂样品的——粘度,共混树脂粘度和纯PSAZn以及PSAG的粘度如表2所示,共混树脂粘度为110 ̄(2下熔融混合均—匀后所测。从表2可以看出PSAZn含量在50%~70%时,共混树脂有较低粘度,其中PSA.Zn含量为70%时,共混树脂粘度为122mPa・s,适合PSA树脂与石英纤维、碳纤维等纤维的RTM成型。——表2PSAZn、PSAG以及三批共混树脂的粘度——Table2ViscosityofPSAZn,PSAGandotherthreemixedresin。∞||l豫a羟tl、,c、|■≯≯jC*|505O505053322l00O一∞≈.芝。口o}{_L}r_l_r;∞粥%舛2016年第7期玻璃钢/复合材料67条的弯曲强度以及弯曲模量。从表4可以看出,共—混树脂浇铸体的弯曲强度相对PSAZn降低较多,但相对PSA.G还有11%的提高。三者的弯曲模量基本无差别。—表4PSA.Zn、PSAG以及PSA-Zn含量70%共混树脂浇铸体弯曲性能——Table4FlexuralpropertiesofPSAZn,PSAGandblend—resin(PSAZnscontentis70wt%)casting造成三种浇铸体弯曲强度的差别的主要原因在于树脂固化后的交联密度。PSA-G中只含炔键,固化时炔键活性较高,更易形成交联结构,而PSA.Zn树脂末端含有部分末端烯键,树脂固化后交联密度—相对PSAG有所降低,因此弯曲强度增高。4结论—本文用PSA-G和PSAZn共混得到改性树脂,经实验研究后得到以下几点结论:—(1)随着PSAG含量的增加,共}昆树脂的耐热性提高。PSA~G含量达30%时,共混树脂相对℃PSA-Zn提高近40,耐热性较好;——(2)PSAG的加入解决了PSAZn树脂RTM成型粘度过低的问题,PSA-G含量达30%时,共混树脂具有较低粘度,为122mPa・s,适合RTM成型;—(3)PSAZn含量为70%的共混树脂制备的石英纤维增强复合材料的力学性能良好,共混树脂浇—铸体的弯曲强度比PSAG提高了11%。参考文献[1]BnvatP,JousseF,DelnaudL,eta1.Synthesisandpropertiesofnewpmeessabletypep0lyarylacetylenes[J].Amaterialsand—pmeessesodyssey,2001,134144.[2]张玲玲,高飞,周围,等.含硅氢基团甲基芳炔树脂的合成及表征[J].过程工程学报,2009,9(3):574-579.[3]hohM,InaneK,HirayamaN,eta1.Fiberreinforcedplasticsusing—anewheatresistantsiliconbasedpolymer[J].Journalofmaterials—science,2002.37(17):37953801.[4]ZhangJ,HuangJ,DuW,eta1.Thermalstabilityofthecopolymers—ofsilicon--containingarylacetyleneresinandacetylenefunctionalbenzoxazine[J].PolymerDegradationandStability,2011,96—(12):22762283.——[5]JiangZ,ZhouY,DuL.CharacterizationofamodifiedsiliconCOIltainingarylacetyleneresinwithPOSSfunctionality[J].ChineseJour-na—lofPolymerScience,2011,29(6):726731.—[6]hobM,InaneK,1wataK,eta1.Newhighlyheatresistantpolymerscontainingsilicon:poly(silyleneethynylenephenyleneethyny1ene)s—[J].Macromolecules,1997,30(4):694701.—[7]ItohM,MitsuzukaM,1wataK,eta1.Anovelsynthesisandextremelyhithermalstabilityofpoly[(phenylsilylene)ethynylene一1,3-phenyleneethynylene]fJ].Macromolecules,1994,27(26):7917.7919.[8]ItohM,MitsuzukaM,1wataK,eta—1.Poly(silyIeneethynylenphenyleneethynylenes),methodforpreparingsameandhardened——productthereof:U.S.Patent5,420,238[P].1995530.—[9]hohM.Anovelsynthesisofahighlyheat-resistantorganosiliconpalymerusingbasecatalysts[J].CatalysisSurveysfromAsia,1999,3—(1):6169.—[10]LiuHQ,HarrodJF.Copper(I)chloridecatalyzedcrossdebydro-couplingreactionsbetweensilanesandethynylcompounds.Anewmethodfortheeopolymerizationofsilanesandalkynes[J].CanadianJour—nalofChemist 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