论文部分内容阅读
形状记忆聚合物(SMP)作为一种新型的智能高分子材料,具有对外界的刺激(热、电、光、磁等)作出响应而改变形状,回复到初始状态的能力。与形状记忆合金(SMA)和形状记忆陶瓷(SMC)相比,具有密度小、形变量大、感应温度范围宽可调节、加工性好、原料广泛成本低等优点,目前已有聚烯烃类、聚氨酯类、聚丙烯酸酯类、聚苯乙烯类、聚硅氧烷类和环氧树脂类等种类被开发并得到广泛应用。然而SMP也同时存在形变回复应力小、回复精度不高等不足之处在航空、军事、工业、农业、医疗等领域更广泛发展应用上受到限制。因此开发设计具有形状记忆功能的新型聚合物及聚合基复合材料已引起研究者们的广泛关注。 作为一种N杂型酚醛树脂,苯并噁嗪不但保留了传统酚醛树脂的各项优点(如耐热性、阻燃性、介电性能、力学性能等),而且克服了传统酚醛树脂的缺点(如脆性大、固化释放出小分子、需要强酸催化剂、环境污染等),拥有许多独特的性能,如低熔融粘度、固化无小分子放出、固化不需要催化剂、体积零收缩、低介电常数、低热膨胀系数、低吸水率以及高残碳量等。苯并噁嗪单体是以伯胺类衍生物、甲醛和酚类衍生物通过Mannich缩合反应合成的,丰富的原料来源、灵活的分子结构设计以及优良的热力学性能使它们作为结构性粘结剂,高性能复合材料和封装材料被广泛应用于航空航天和电子材料材料领域。 然而,苯并噁嗪树脂作为一种新型的高性能热固性树脂目前在形状记忆材料领域甚少报道。本文基于此,利用苯并噁嗪分子设计性强以及可作为开环聚合后产生大量酚羟基可作为环氧树脂固化剂的特性,合成并制备了苯并噁嗪及环氧树脂聚合物,在对其进行基础性能研究的同时,将形状记忆性概念引入到体系之中,探索苯并噁嗪作为热致型热固性形状记忆材料的可能性。 1.双酚A苯胺型苯并噁嗪(Ba)及其双酚A环氧E51聚合物:本章以苯并噁嗪和环氧树脂两大领域内最基础,研究最多的两种单体作为基体制备聚合物。通过研究对比发现,Ba-E51聚合物(1:1摩尔比)与Ba本体相比。其热力学性能要差,但比E51用普通固化剂制备的材料有着更好的性能。在进行形状记忆测试发现,由于Ba聚合过程中氢键作用导致团聚区的形成会引起分子链的滑动,以及Ba-E51复合材料具有更高的交联密度,其形状记忆性能要远优于Ba本体。 2.主链型苯并噁嗪及其双酚A环氧E51聚合物:由于小分子苯并噁嗪在固化过程中,氢键的形成会形成交联团聚区,导致链增长中止,从而降低了体系交联密度和热力学性能,为此研究者们设计开发了主链型苯并噁嗪前驱体,即以苯并噁嗪环为重复功能团的聚合物。本单即是基于此种思路,以聚醚胺D230、双酚A和甲醛为原料,设计合成了一种具有柔性链段的主链型苯并噁嗪前驱体(DP)。将其与环氧E51以不同质量比共混制备聚合物,研究其各项性能。研究结果表明与不同质量比的环氧进行共混所得聚合物性能有着明显的差异,但聚合物的形状记忆性能要明显优于DP本体聚合产物,这主要是因为环氧的加入能提高交联密度所致。 3.1,6-己二胺对甲酚型苯并噁嗪及其液晶环氧树脂(EP6)聚合物。液晶环氧树脂是在热致型液晶高分子基础上发展起来的一类新型热固性液晶高分子材料。通过含有介晶基元的环氧单体固化反应,可得到一种交联有序三维聚合物网络,它融合了液晶有序性和网络交联性,液晶小分子和液晶大分子的共同优点。具有优异的性能。本章中利用1,6-己二胺、对甲酚和甲醛合成了一种带有柔性烷基链的双官能度苯并噁嗪(HBz)和长侧链液晶环氧树脂单体(EP6),并将它们共混制备聚合物。研究结果表明尽管HBz加入量只有EP6摩尔的40%,仍然能够将环氧完全固化,聚合物的各项性能优于HBz本体聚合物。由于HBz固化EP6比普通胺类固化温度要高,聚合物的液晶性能较差,但形状记忆性仍然能够得以保持,可以达到完全回复(形状回复率99%)。 4.邻苯二甲腈改性苯并噁嗪及其环氧树脂聚合物。苯并噁嗪树脂作为一种新型的高性能热固性树脂,拥有许多独特的性能,如固化无小分子放出、体积零收缩、低介电常数、低吸水率以及高残碳量等,但同时也存在固化温度高、聚合物脆性大、严苛条件下使用热稳定性足等缺点而限制了其应用。基于此,研究者们提出了在苯并噁嗪单体中引入可协同聚合官能团对其进行改性,其中邻苯二甲腈基团因能在苯并噁嗪固化产生的酚羟基的催化下固化而吸引了研究者的目光,从现有结果看邻苯二甲腈基团参与固化能明显提高苯并噁嗪热力学性,可以获得更高玻璃化转变温度(Tg),更高残碳量的聚合物。本章即是基于此,设计合成了由双邻苯二甲腈封端的改性苯并噁嗪连接的单体,再通过它与E51以不同比例共混制备聚合物。研究结果表明,邻苯二甲腈的引入极大的提高了苯并噁嗪以及聚合物的耐热性能,邻苯二甲腈改性苯并噁嗪加入量越多,耐热性能越好。然而由于邻苯二甲腈改性苯并噁嗪聚合产物脆性很大而导致力学性能并未得到提升,同时其高比例添加致使材料无玻璃化温度或玻璃化温度过高,现有条件下无法进行形状记忆测试。