硫醇-马来酰亚胺点击反应制备超支化环氧树脂及其性能研究

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环氧树脂具有优异的物理化学性能,被广泛用于航空航天、电子信息等领域,也可作为形状记忆材料,但是存在形状记忆材料用环氧树脂制备困难和机械强度较低的问题。超支化环氧树脂具有超支化聚合物高度支化的特点,同时具备传统环氧树脂的优点,可望解决传统环氧树脂形状记忆材料制备困难和机械强度较低的难题。本文采用具有反应条件温和、高选择性和高产率等优点的硫醇-马来酰亚胺点击反应在超支化聚合物分子结构中引入亚胺结构,再利用硫醇-烯烃点击反应合成了一系列不同官能度的超支化环氧树脂。研究了超支化环氧树脂薄膜的形状记忆性能和机械强度,探讨了超支化环氧树脂对双酚A型环氧树脂(DGEBA)性能的影响因素及规律,具体研究内容如下:以脂肪族三元硫醇(TMMP)、N,N’-4,4’-二苯甲烷双马来酰亚胺(BMI)和烯丙基缩水甘油醚(AGE)为原料,制备了不同分子量的超支化环氧树脂(ETMP-n,n=6,9,11),研究了其形状记忆性能及其对DGEBA性能的影响。TMMP与BMI通过硫醇-马来酰亚胺点击反应制备了不同分子量的端巯基酰亚胺骨架超支化聚合物(BTMP-n,n=6,9,11),BTMP-n再与AGE通过硫醇-烯烃点击反应合成ETMP-n。红外光谱(FT-IR)、核磁共振氢谱(~1H NMR)、基质辅助激光解析电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)和凝胶渗透色谱(GPC)表征了BTMP-n和ETMP-n的分子结构和分子量。以阳离子固化剂(B100)固化ETMP-n,得到ETMP-n固化膜。ETMP-n固化膜形状回复时间最快为480 ms,利用动态热机械分析仪(DMA)对ETMP-n固化膜进行形状记忆测试(循环4周期),结果表明,ETMP-n固化膜具有优异的形状记忆性能,回复率与固定率分别在83.45%和83.74%以上。引入酰亚胺结构后,ETMP-n固化膜的拉伸强度最高可达27.63 MPa,形状记忆循环5周期后,拉伸强度仍能保持90.52%,热稳定性较好。将ETMP-n加入DGEBA中,制备了高性能的ETMP-n/DGEBA杂化树脂。ETMP-n与DGEBA相容性较好,随着ETMP-n在ETMP-n/DGEBA占比增加,ETMP-n/DGEBA的力学性能先增加后减小,随着ETMP-n分子量的增加,力学性能也呈现同样规律。ETMP-n/DGEBA中ETMP-9占比为12 wt%时,各项力学性能皆有极大值,冲击、弯曲和拉伸强度分别是纯DGEBA的2.12倍、1.43倍和1.70倍。利用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、DMA和静态热机械分析仪(TMA)分析了ETMP-n/DGEBA的微观形貌和自由体积,证实其增强增韧机理属于原位均相增强增韧机理。为了获得强度更高的膜材料与杂化树脂,以氮杂环三元硫醇(THMP)、BMI和AGE为原料,制备了不同官能度的氮杂环骨架的超支化环氧树脂(ETHP-n,n=6,9,11),研究了其形状记忆性能及其对DGEBA性能的影响。将THMP与BMI通过硫醇-马来酰亚胺点击反应制备了具有不同分子量的端巯基酰亚胺骨架超支化聚合物(BTHP-n,n=6,9,11),随后利用硫醇-烯烃点击反应将BTHP-n与AGE反应制备了ETHP-n。BTHP-n和ETHP-n的分子结构和分子量通过FT-IR、~1H NMR、MALDI-TOF-MS和GPC等手段表征。ETHP-n固化膜的形状回复时间最快为430 s,通过DMA对其进行进行形状记忆测试(循环7周期),结果表明,ETHP-n固化膜具有比ETMP固化膜更优异的形状记忆性能,固定率与回复率分别在97.98%和97.24%以上。拉伸强度最高可达31.15 MPa,拉伸强度保持率为87.19%。ETHP-n与DGEBA能形成均相体系,随着ETHP-n在ETHP-n/DGEBA中占比增加,ETHP-n/DGEBA的力学性能先增加后减小,随着ETHP-n分子量的增加,力学性能也呈现同样规律。ETHP-n/DGEBA中ETHP-9占比为12 wt%时,其各项力学性能皆有极大值,冲击、弯曲和拉伸强度分别是纯DGEBA的2.38倍、1.48倍和1.78倍,且均比12%ETMP-9/DGEBA的高。利用SEM、AFM、DMA和TMA分析了ETHP-n/DGEBA的微观形貌和自由体积,结果表明ETHP-n对DGEBA的增强增韧机理属于原位均相增强增韧机理。本文制备的一系列具有不同分子量和拓扑结构的超支化环氧聚合物,其制备方法简单高效,得到的超支化环氧树脂具有较高的机械强度和较好的形状记忆性能并且能明显改善DGEBA的力学性能,为高强度超支化环氧树脂基形状记忆材料的制备提供了理论依据,为DGEBA的增强增韧提供了新的方法。
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