基于硅炔杂化耐高温聚合物的合成、结构与性能

来源 :华东理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhang3862066
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随着耐高温聚合物材料在航空航天、电子电器和动力能源等高技术领域应用的深入,对其性能提出更高要求。各类高强度、高模量、耐高温、抗氧化综合性能优异,能在复杂环境中长期使用的高性能材料应运而生。分子主链结构中含炔基活性基团的含硅杂化聚合物以及在这类聚合物分子结构中引入B、N等元素的硅炔杂化聚合物材料,是一类全新的集承载-耐高温-抗氧化-耐湿热-良好成型加工性能-优异力学性能等综合一体化的高性能聚合物材料。由于硅炔杂化聚合物具有良好的综合性能,本文设计合成了高硅含量的硅炔杂化、硼硅炔杂化和硅硼氮炔杂化的三类耐高温树脂,以及硅炔-硅硼氮炔杂化树脂基玻璃纤维增强复合材料,主要取得以下阶段性成果与进展:  1、为了克服含硅聚合物结构中Si含量较低,耐热性能较差等缺陷,本论文以乙炔基溴化镁和二氯硅烷为主要原料,合成一类分子主链结构由(-C≡C-SiR1R2-C≡C-)组成的高硅含量PMES树脂,通过提高结构中Si元素和乙炔基的含量,改善聚合物的成型加工性能和耐热性能。利用FTIR、1H-NMR、13C-NMR表征了树脂的结构,DSC、SEM、TGA、Py-GC-MS和XRD研究了树脂的固化特性、固化产物的形貌结构、耐热性能、热裂解机理和陶瓷化转变机制。结果表明,PMES树脂固化产物表面光滑,致密平整且具有优异的耐热稳定性能,其中,PMES-1树脂结构中Si含量高达41.2%,氮气和空气下的Td5都高于620℃,1000℃的质量保留率大于85%。  2、为了进一步提高硅炔杂化聚合物高温条件下的抗氧化性能,从分子结构出发,合成了两类主链结构中含有B-C≡C-、Si-H基团的硼硅炔杂化耐高温树脂(PASB和PBSA)。采用非等温DSC法得到PASB树脂根据Kissinger法和Ozawa法算出的动力学方程,分别为:dα/dt=6.0×109×exp(-104.4/RT)(1-α)0.92和dα/dt=5.7×109×exp(-107.7/RT)(1-α)0.95。同时,采用T-β外推法得出Ti0(452.0K)、Tp0(492.4K)和Tf0(554.0K),表明PASB树脂在452.0-554.0K范围内可完成固化。此外,TGA结果表明B元素的引入,显著提高了树脂的高温抗氧化性能,空气条件下,PBSA树脂的Td5和1000℃的质量保留率分别为638℃和91.3%,比PMES-2、PMES-3分别提高了约100℃和40%,1000℃的质量保留率较MSP提高了65.8%。  3、由于苯基二氯硼烷价格昂贵且部分硼硅炔杂化树脂耐湿热性能较差。本文在保证树脂良好耐热性能的前提下,合成一类综合性能优异的硅硼氮炔杂化耐高温树脂(APAHBS和APABS)。通过引入的N原子所含有的未共用电子对与B原子的空轨道结合,形成配位键,降低B原子的亲电子性,减弱硅硼氮炔杂化耐高温树脂的水解性,很好地改善这类树脂的耐湿热性能。APAHBS和APABS树脂固化产物在25℃和70℃的饱和吸水率分别为0.12%、0.16%和0.13%、0.19%,低于PASB、PBSA和AHBS树脂的饱和吸水率,使其能够在湿热的条件下获得应用,拓宽了此类树脂的应用领域。  4、针对以单一树脂为树脂基体制得复合材料性能较差的问题,本文利用不同硅炔杂化树脂的结构特点,采用APABS对PMES进行改性,制得性能优异的APABS-PMES树脂基复合材料。通过对树脂体系的凝胶特性、储存稳定性、固化反应行为和流变特性的分析,确定了此复合材料的压制工艺为200℃/2h→230℃/4h→250℃/4h→280℃/2h→300℃/2h。当APABS/PMES=1/0.4时,复合材料的弯曲强度达到267MPa,介电常数ε保持在3.6-3.7范围内,变化范围小。表明此复合材料具有优异的机械性能和介电性能,是一类性能优异的航空航天材料。
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