改性耐高温有机硅树脂的制备及其性能研究

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作为一类典型的热固性聚合物,硅树脂被广泛用作高性能材料。独特的“半无机”分子结构赋予了硅树脂卓越的耐高温性、优异的电绝缘性、耐候性以及耐水性等。高新领域的飞速发展,导致硅树脂材料面对的应用环境越来越苛刻,耐高温性作为硅树脂最突出的特性之一,需要进一步提高。经过多年的发展和探索,科研工作者们已经掌握了多种提高硅树脂热稳定性的方法,但是这些方法大多都具有局限性,而且耐热性的提升幅度也是有限的。因此需要探索和开辟新的方法对硅树脂进行改性,以期望耐热性能获得实质性的突破。在本论文中,以对溴苯酚为原料,通过格林尼亚反应(格氏反应)合成了一种含苄基的硅烷单体SBn。然后以此单体为基础,利用催化加氢还原和共水解缩合反应成功制备了一种含酚羟基(Ph-OH)的有机硅树脂(T-SR-OH)。利用多种测试手段对树脂的结构、固化行为、力学性能、热性能和降解过程等进行了详细的表征。研究表明,固化过程中,Ph-OH基团和硅树脂中的硅羟基(Si-OH)通过反应形成了一种新的Si-O-Ph键。这种Si-O-Ph键的形成不但进一步消耗了树脂分子链末端残留的Si-OH基团,还使树脂的交联度得到增加,进而有效地抑制了在高温下由Si-OH引起的“背咬”反应。对于一般的不含酚羟基的硅树脂来说,单纯的提高固化温度对树脂热性能的提升是非常有限的。酚羟基的引入能够有效削弱由“背咬”反应引起的“解扣式”降解,进而大幅度提升树脂的热稳定性。氧气存在的情况下,额外的Si-O-Ph交联网络增加了树脂结构的稳定性,阻碍了高温下氧气的溶解和扩散,抑制了有机基团的氧化降解。这种含酚羟基的硅树脂在经过350℃的高温热固化后,其热性能和热氧化稳定性远高于大部分的甲基苯基硅树脂。惰性环境(氮气)中其Td5达到了606℃,即使在空气中,其Td5仍然可以达到542℃。最终温度达到800℃时,此种树脂的残炭率分别高达91.1%(氮气)和85.3%(空气)。将含酚羟基的硅树脂与环氧树脂混合后进行共聚获得了一系列不同比例的环氧-有机硅树脂,研究了其固化行为和热性能。结果表明,固化过程中硅树脂和环氧树脂之间存在多种交联方式,且基团之间的反应具有一定优先次序。一方面,复合树脂的热性能随着交联度和硅氧烷含量的增加而提升。另一方面,共聚物中环氧树脂的含量过高会导致固化不完全,降低树脂的热性能。将SBn单体上的苄基脱除后获得了一种含酚羟基的硅烷单体SPh,并以此单体为基础分别通过曼尼希反应和缩聚反应制备了苯并噁嗪改性硅树脂和酚醛改性硅树脂,对这两类复合树脂的固化过程和热性能进行了研究。结果表明,在复合树脂的固化过程中,仍然可以建立额外的Si-O-Ph交联网络来进一步提高树脂的交联度。空间位阻越大,形成Si-O-Ph键所需要的温度就越高。复合树脂表现出优良的热稳定性,且耐热性随着硅氧烷段含量和交联度的增加而增加。
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