含官能团苯并噁嗪的结构与性能及其应用研究

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苯并噁嗪是以酚类、伯胺类和甲醛等化合物为原料制备的一类含有氮氧杂环的化合物。该树脂在受热或者有催化剂的作用下可发生固化交联反应,形成类似于酚醛树脂的网络结构。聚苯并噁嗪作为一种高性能热固性树脂,具有灵活的分子设计性、固化过程中无小分子放出、体积近零收缩、低吸水和优异的力学性能等特点,使其在航空航天等领域有着广阔的应用前景。含硅芳炔树脂是在芳炔树脂主链中引入硅元素的一种新型有机-无机杂化热固性树脂,树脂固化后形成高度交联的刚性结构,具有优异的耐热性能。同时其具有较低的黏度,可适用于RTM等多种成型工艺,在耐烧蚀、耐高温以及复合材料领域有着广泛的应用。  本文设计合成了四种含炔基的苯并噁嗪树脂,采用FTIR、1H NMR和元素分析对其结构进行了表征。利用红外跟踪、DSC、TGA、DMA以及正电子湮没技术(PTA)研究了苯并噁嗪树脂的固化反应、结构和性能,通过Materials Studio模拟计算了苯并噁嗪分子的HOMO-LUMO等势面,并制备了T300碳纤维增强苯并噁嗪树脂的复合材料。结果表明:氰基的引入使苯并噁嗪单体中噁嗪环的稳定性降低而活性增强,使苯并噁嗪在较低的温度下发生开环反应;四种含炔基苯并噁嗪中间体在氮气中的Td5均在超过340℃,且800℃残炭率高于50%;同时,氰基能减少树脂交联结构中的自由体积分数,提高树脂的玻璃化转变温度;炔醚型苯并噁嗪的浇铸体力学性能均优于乙炔基型苯并噁嗪,氰基的引入使树脂及其复合材料的力学性能均有所降低。  为了进一步改善含硅芳炔树脂的力学性能,本文将双酚A型氰酸酯(BADCy)和苯并噁嗪(P-appe)和PSA树脂通过溶液共混的方法制备了不同配比的PPB改性树脂。通过FT-IR、DSC、TGA、DMA等测试方法研究了PPB改性树脂的性能,并制备了树脂浇铸体和碳纤维增强的复合材料。结果表明,开环后的P-appe对BADCy有催化作用,BADCy和P-appe的加入降低了PSA树脂的Td5,但在PSA树脂含量在70%时,PPB树脂的Td5仍在520℃以上,PPB浇铸体玻璃化转变温度高于450℃,且树脂浇铸体的力学性能得到明显提升。在加入15%BADCy和15%P-appe时,其弯曲强度达到55.32MPa,提高了115.71%,同时其冲击强度达到5.43kJ/m2,提升了103%。通过SEM和EDS观察了树脂断面裂纹及元素分布情况,结果显示加入BACDy和P-appe之后,树脂呈现典型的韧性断裂,并且N元素较均匀的分散于Si元素中,没有团聚和分相等行为。T300碳布增强PPB复合材料的弯曲强度由PSA基复合材料的230MPa提高到了598MPa,提高了160%,弯曲模量由29.66GPa提高到49.14GPa,提高了65.7%;T700单向纤维增强PPB复合材料的弯曲强度较PSA基复合材料的1360MPa,提高了27.8%,达到1738MPa。
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