炔丙醚酰亚胺改性双马来酰亚胺树脂的制备与性能.pdf
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1、2023年http:/36第4期宇航材料工艺nPre炔丙醚酰亚胺改性双马来酰亚胺树脂的制备与性能张慧!王林祥2关郑庆?袁荞龙!黄发荣1(1华东理工大学材料科学与工程学院,特种功能高分子材料及相关技术教育部重点实验室,上海200237)(2 上海新力动力设备研究所,上海200125)文摘合成了2,2-双N-(4-炔丙氧基苯基)-3,4-二酰亚胺苯基六氟丙烷(6 FDPE),与(4,4-二苯基甲烷)双马来酰亚胺(BDM)和二烯丙基双酚A(DABPA)的改性双马来酰亚胺(BDM/DABPA)树脂共混,制备了BDM/DABPA/6FDPE共混树脂。对共混树脂的黏温特性、固化反应和固化树脂的热稳定性和力
2、学性能等进行了研究。结果表明,6 FDPE能够扩展BDM/DABPA树脂的加工窗口至7 0 以上。随着6 FDPE的添加量增加,共混改性树脂在氮气氛围下共混树脂固化物的5%热失重温度(T)升高达到416,8 0 0 的残留率(Y800)高达41%,但玻璃化转变温度(T)会降低,仍高于30 0。6 FDPE可增韧BDM/DABPA树脂,共混改性树脂的冲击强度提高至2 3.9kJ/m,增加了55%,但树脂浇铸体的弯曲强度和拉伸强度分别降低至132 MPa和7 8 MPa,都下降了13%。关键词炔丙醚酰亚胺,双马来酰亚胺,二烯丙基双酚A,共混,热-物理性能中图分类号:TB332D01:10.1204
3、4/j.issn.1007-2330.2023.04.005paration and Property of Propargyl Ether Imide Modified Bismaleimide ResiZHANG HuilWANG LinxiangZHENG Qing?YUAN QiaolongHUANG Farong1Key Laboratory of Specially Functional Polymeric Materials and Related Technology(Ministry of Education),School of MaterialsScience and E
4、ngineering,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237(2SShanghai Xinli Power Equipment Institute,Shanghai200125)Abstract A 2,2-bisN-(4-propargyloxyphenyl)-3,4-dimidophenyl hexafluoropropane(6FDPE)was synthesizedand blended with(4,4-diphenylmethane)bismaleimide(BDM)and diallyl bi
5、sphenol A(DABPA)modified bismaleimide(BD/DABPA)resin to prepare BD/DABPA/6FDPE blend resins.The viscosity-temperature behavior and cure reactionsof the blend resins of the cured blend resin,and the thermal stability and mechanical property of the cured blend resinswere studied.The results show that
6、the processing window of BDM/DABPA/6FDPE resins are broader than 70 C.Thethermal stability of the cured blend resin increases with increase of 6FDPE content.The temperature of 5%weight loss(T2)and residual yield at 800 (Y r s o c)o f t h e c u r e d b l e n d r e s i n c a n i n c r e a s e t o 416
7、C a n d 41%,r e s p e c t i v e l y.T h eimpact strength can increase by 55%,to 23.9 kJ/m.However,the glass transition temperature(T,)of the cured BDM/DABPA resin decreases with increase of 6FDPE content in the blend resin.Accordingly,the bending strength and tensilestrength of the cured blend resin
8、 drop by 13%,to 132 MPa and 78 MPa,respectively.KeywordsPropargyl ether imide,Bismaleimide,Diallyl bisphenol A,Blend,Thermal-physical properties0引言高强度、高韧性和高耐热性树脂基体及其纤维增强复合材料已成为学术和工业界研究人员关注的重点。双马来酰亚胺(BMI)树脂是一类高性能聚合物,其优良的耐热性、电绝缘性、抗辐射性和力学性能等使其被应用于航空航天及电子信息等领域中1-3BMI单体结构中含有大量苯环类刚性基团,固化产物交联密度高,使得未改性的BMI树
9、脂熔点和固化温度高、脆性大,对增强体的附着力低。其中对BMI的增韧研究,已开展用多种方法来增韧改性BMI树脂包括烯丙基化合物的共聚、二胺扩链、热塑性树脂改性、橡胶增韧、合成新的BMI单体和纳米材料改性等4-10 。和烯丙基化合物的共聚,既可以提高BMI树脂的韧性,又可以保持较高的耐热性,是降低收稿日期:2 0 2 1-0 8-14;修回日期:2 0 2 3-0 8-2 1基金项目:上海航天科技创新基金(SAST2019-106)第一作者简介:张慧,1996 年出生,硕士研究生,主要从事高性能树脂及复合材料制备与性能研究工.作。E-mail:http:/2023年第4期宇航材料工艺37BMI树脂
10、脆性和改善其加工特性的最可靠方法之一。XU292是Ciby-Geigy开发的由N,N-(4,4-二苯基甲烷)双马来酰亚胺(BDM)和DABPA共聚的BMI树脂,是BMI树脂改性最早也是最成功的商品牌号。QY8911是国内成功开发的改性BMI树脂,已应用于航空航天领域。共混改性BMI的树脂也是改性BMI的常用方法,但大多数BMI单体的高熔点和较差的溶解性限制了BMI树脂在共混体系中的含量。且BMI倾向于从共混体系中重结晶而析出,使得共混改性BMI树脂的保存期也受到限制。在一个单体中同时具有马来酰亚胺和其他反应性基团结构,如烯丙基或炔丙基等,可增加共混改性BMI树脂体系的相容性,有望克服上述缺点随
11、着航空航天和电子工业的发展,对BDM/DABPA体系提出了更高的要求,需开展提高BDM/DABPA体系性能的研究工作。含烯丙基官能团的苯并嗯嗪改性BDM/DABPA体系可提高BMI树脂的弯曲性能和降低树脂的吸水率I。采用DABPA和BDM改性的氰酸酯树脂中,DABPA起到了很好的催化作用,改性树脂耐热性能也很好12 。芳炔丙醚树脂(PTR)的制备过程简单,易工程化规模制备,因其良好的加工性、低吸水性、低介电常数和损耗因子、优异的热稳定性和优异的物理力学性能而被视作环氧树脂的替代物13。FURUTANI等人14 制备了炔丙醚封端的酯酰亚胺预聚物并用于和双(4-马来酰亚胺苯氧基-4-苯基)-2,2
12、-丙烷(MB-800)共混,共混物的玻璃化转变温度(T)和树脂中MB-800的质量比直接相关。VINAYAGAMOORTHI等人【151用双酚A二炔丙醚和4,4-二苯醚双马来酰亚胺共混时,其固化反应在较低温度下进行。双酚A二炔丙醚和BDM以及双酚A二炔丙醚酚醛树脂和BDM的共混树脂的T.和热稳定性随着BDM含量的增加而增加16-18 ZHOU等人【19 用三种具有炔丙醚单元的s-三嗪基官能单体来提高BDM的T并降低BDM的热膨胀系数。炔丙基封端化合物可提高BMI树脂的可加工性能和热性能。本文合成一种新型的炔丙醚酰亚胺-2,2-双N-(4-炔丙氧基苯基)-3,4-酰亚胺基苯基六氟丙烷(6 FD
13、PE),将其和BDM/DABPA树脂共混得到共混改性BMI树脂,研究改性BMI树脂的加工性能、固化反应物的热性能和力学性能。1实实验1.1实验原料4-氨基苯炔丙醚(APPE),实验室参照文献2 0 合成;2,2-双(3,4-二羧基苯基)六氟丙烷二酐(6 FD A),上海毕得医药科技有限公司;乙酸酐、三乙胺、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、四氢呋喃(THF)、乙酸乙酯和石油醚购自上海泰坦科技有限公司;二烯丙基双酚A(D A BPA),华明科技有限公司;N,N-(4,4-二苯基甲烷)双马来酰亚胺(BDM),湖北洪湖双马新材料科技有限公司1.2树脂的制备1.2.16FDPE的合成在N,保护下,将6 FD
14、A(19.99g,45.0 mmo l)加入到150 mL的NMP和THF混合溶液的四口反应瓶中。机械搅拌下待二酐完全溶解后,用恒压滴液漏斗缓慢加入溶于THF(12 0 m L)的APPE(14.55g,99mmol)并在室温下反应2 h。然后,依次添加乙酸酐23g和三乙胺11.4g,继续在室温下搅拌1h,接着升温到8 5下反应4h,再自然降温至室温。合成路线如图1所示。所得溶液先旋蒸浓缩,然后在水中沉降得到淡黄色粉末,将初产物用乙酸乙酯和石油醚混合溶液洗涤过滤。将最终产物在烘箱中8 0 下干燥8h,获得白色粉末产物,产率是92%,HPLC测得纯度是98.6%,熔点是18 4。CFCFTEA/
15、AC,ONMP/THF0()6FDPE图16FDPE的合成路线Fig.1The synthetic route of 6FDPE1.2.2共混树脂的制备将BDM和DABPA按照质量比6 1:39放人四口烧瓶中,通人N,加热至140 搅拌2 0 min,冷却后再分别加人10、2 0 和30 份的6 FDPE溶于二氯甲烷中搅拌混匀,减压蒸馏后得到BDM/DABPA/6FDPE树脂预聚物BDM/DABPA/6FDPE共混改性树脂的配比列于表1中。38表1BDM/DABPA/6FDPE共混树脂的质量比Tab.1Mass proportion of BDM/DABPA/6FDPE blend resin
16、s树脂BDM/gDABPA/g6FDPE/gBDM/DABPA6139一BDM/DABPA/6FDPE10613910BDM/DABPA/6FDPE20613920BDM/DABPA/6FDPE306139301.3树脂浇铸体制备将制备好的共混树脂趁热倒人事先预热好的喷有脱膜剂的有四氟涂层的模具中,并在真空烘箱中抽去残存的溶剂,然后转移到固化烘箱中升温固化。BDM/DABPA的固化工艺为140/2 h+200/2 h+260/2 h;BD M/D A BPA/6 FD PE的固化工艺为130/2 h+2 0 0/2 h+2 6 0/2 h。固化完成后,将样条取出并将其用磨抛机磨成测试所需的标准
17、尺寸。1.4分析与测试采用美国布鲁克公司的Avance400型的核磁共振波谱仪,工作频率为40 0 MHz,用内标为TMS的CDCl,溶剂;美国赛默飞世尔科技公司的NicoletiS10型傅里叶红外光谱仪,采用KBr压片法制样,波数区间是40 0 0400cm,分辨率是4cm,扫描次数是32 次;采用美国安捷伦公司的Aligent1260SL型高效液相色谱仪,其泵流速范围是0.0 0 1 5.0 mL/min,紫外-可见光检测波长区间是190 6 40 nm,检测限的萘的质量浓度为8 10-8g/mL。美国Thermo Hakke公司的MARS I型旋转流变仪,其升温速率是2/min,剪切速率
18、是0.0 1sl,温度的区间是40 190。采用美国TA公司的Q2000型差式扫描量热分析仪测定树脂的固化反应,N,气氛(流量50mL/min),升温速率10/min;采用瑞士梅特勒托利多公司TGA/DSC1型热重同步热分析仪测定树脂固化物的热稳定性,N,气氛(流量6 0 mL/min),升温速率10/m i n;采用瑞士梅特勒托利多公司DMA1型动态力学分析仪分析树脂浇铸体黏弹性随温度的变化,模式为三点弯曲,频率1Hz,升温速率5/min;采用长春机械科学研究院有限公司的CCSS-44100型电子万能试验机按照GB/T25672021进行树脂浇铸体弯曲性能测试;采用意大利CEAS公司研制的C
19、EAST9050型冲击强度测试仪按照GB/T18432008进行树脂浇铸体冲击强度测试;采用日本日立S-4800型冷场发射的扫描电子显微镜(SEM)观察断面形貌,并用德国布鲁克AXS有限公司的Quantax400-30型能谱仪扫描断面上的N元素分布2结果与讨论2.1共混树脂的加工性能0.1g共混树脂在1mL常见有机溶剂中的溶解性见表2。室温下BDM/DABPA/6FDPE树脂在常见溶剂中的溶解性和BDM/DABPA表现出一样的溶解性能,四种改性树脂都溶于大部分常见有机溶剂,例如丙酮、DCM、NMP、D M F和THF,但是都不溶于乙醇。这表明6 FDPE含量的多少对BMI树脂的溶解性影响不大。
20、表2BDM/DABPA/6FDPE树脂的溶解度1)Tab.2Solubility of BDM/DABPA/6FDPE resins)树脂丙酮DCMNMPDMFTHF乙醇BDM/DABPA+BDM/DABPA/6FDPE10+BDM/DABPA/6FDPE20+BDM/DABPA/6FDPE30+注:1)+为室温下溶解;-为室温下不溶。利用旋转流变仪测定BDM/DABPA/6FDPE树脂的黏度-温度流变曲线,图2 为BDM/DABPA/6FDPE体系树脂的黏度-温度变化曲线。可以看出,在升温的起始阶段,共混树脂的黏度先下降,直至升到7 0 黏度不随温度升高而变化并保持在较低的范围内。而添加了6
21、 FDPE的三种树脂在常温下处于黏流状态,并且在较长时间段内随温度升高都无明显变化。当温度升到130,BDM/DABPA树脂最先开始黏度骤增,这是由于发生了树脂的交联反应形成网络结构而限制了树脂链段的运动。比较看来,BDM/DABPA/6FDPE系列树脂的加工窗口比BDM/DABPA树脂宽,并且是随着6 FDPE的添加量的增大,加工窗口逐渐加宽。这是由于6 FDPE中有C一O一C柔性基团,它有利于改进BDM/DABPA树脂的加工性能,得到更宽的加工窗口,使其工艺适用性增强。BDM/DABPA3000-BDM/DABPA/6FDPEIOBDM/DABPA/6FDPE20BDM/DABPA/6FD
22、PE302000.Bd/lu一100006080100120140160t/图2BDM/DABPA/6FDPE共混树脂的黏温曲线Fig.2Viscosity-temperature curves of BDM/DABPA/6FDPEblend resins2.2共混树脂的固化行为图3是BDM/DABPA/6FDPE树脂的DSC曲线,分析结果呈现在表3中。带有炔丙-醚的6 FDPE单体的固化反应峰值(T)位置在2 8 0,这是炔丙醚的克莱森重排宇航材料工艺http:/2023年第4期2023年http:/39第4期宇航材料工艺形成色烯(苯并吡喃)和吡喃环内双键自由基聚合交联的反应温度区2 1。未
23、加人6 FDPE改性的BDM/DABPA树脂中有两个放热峰,第一个在2 0 0 左右的峰是BDM和DABPA发生了“Ene反应,第二个在2 6 0 左右的峰是BDM和DABPA之间发生了Diels-Alder反应和马来酰亚胺双键的自由基聚合。6 FDPE共混改性的BDM/DABPA树脂体系的起始固化温度(T)因加人高T的6FDPE而升高,但仍低于18 0,固化反应也主要呈现两个放热峰。第一反应峰是马来酰亚胺和烯丙基的“Ene反应,第二反应峰是Diels-Alder反应和烯基自由基聚合反应,炔丙醚的重排反应和色烯自由基聚合反应,还有炔丙基和马来酰亚胺环内烯基间的三聚环化、Diels-Alder加
24、成和自由基聚合反应等14.16 。ExBDM/DABPA/6FDPE30BDMDABPA6FDPE20BDM/DABPAV6EDPEIOBDMDABPA6FDPE50100 150200250300350400图3BDM/DABPA/6FDPE共混树脂的DSC曲线图Fig.3DSC curves of BDM/DABPA/6FDPE blend resins表3BDM/DABPA/6FDPE共混树脂的DSC分析结果Tab.3DSC analysis results of BDM/DABPA/6FDPE blendresins树脂T.T./T/CT,/AH/Jglm6FDPE184223280一
25、306658BDM/DABPA一145196248287402BDM/DABPA/6147209260300334FDPE10BDM/DABPA/6156202267300348FDPE20BDM/DABPA/6174205270300401FDPE302.3共混树脂固化物的热稳定性通过TGA评估固化后BDM/DABPA/6FDPE树脂的热稳定性。图4显示了在N,氛围下固化的改性BMI树脂TGA曲线。固化树脂5%热失重温度(T)和8 0 0 残留率(Ys80)汇总在表4中。TGA结果显示固化的BDM/DABPA/6FDPE树脂在高温下热稳定性好,且随6 FDPE含量增加而提升,其中加人30 份
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