缩醛型动态共价聚合物网络的制备及在复合材料中的应用

来源 :中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:pigyu
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热固性高分子材料由于其永久性的交联点使其具有优异的稳定性和热机械性能,广泛地应用于结构材料、涂料、粘合剂等领域。从本质上来讲,永久性交联点的存在也使得热固性材料回收困难,无法再次利用,造成了资源浪费和环境污染。动态共价聚合物网络(DCPN)的出现,可在减少热固性高分子材料造成环境污染中发挥重要作用。它既保留了热固性材料的优异性能又可以在某些刺激下像热塑性塑料那般可重复加工使用。近年来,动态共价键及其聚合物网络得到了众多科研人员的关注,取得了快速的发展。但是,目前制备动态共价聚合物网络的方法普遍繁琐,需要进一步纯化产物,然而有机合成每增加一步都会使产物的产率相应降低,从而影响经济效益。本论文中,我们提出了一种简易的制备方法,制备了缩醛型动态共价聚合物网络,并将它利用在碳纤维复合材料中,通过改变原料的组成和配比,可以轻易地调整基体材料的性能,并使其具有优异的降解回收性能。本论文主要分为以下两方面工作:(1)将不同含量的苯乙烯、2-甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸异辛酯与1,4-环己烷二甲醇二乙烯基醚混合,使其进行自由基共聚和交联反应,采用一锅法制备了多种缩醛型动态共价聚合物网络。其制备方法简单、可放大,有望实现工业化生产。材料的热学、力学性能可以随主链单体结构和含量的改变进行调节(Tg可从39℃调节到102℃,断裂伸长率可从0.6%调节到300%以上),此外,这种材料还具有优异的双重回收性能,即可热压重塑回收,又可降解回收。该类材料实现了在制备阶段大幅度降低了原子损失,在回收处理阶段闭环回收,符合绿色经济。(2)利用缩醛型动态共价聚合物网络与碳纤维编织布进行模压成型工艺制备缩醛型动态共价聚合物网络复合材料,该复合材料的基体含量大约为30%,具有优异的热稳定性(Td5%高于300℃),同时游离羟基的存在还可以提高基体材料与增强体材料的粘接性,进而提高复合材料的力学性能(拉伸强度最高为225.9±10.6 MPa,断裂伸长率为2.3±0.5%)。由于基体材料可在温和条件下降解,所以基本可以实现碳纤维的无损回收,并对回收的碳纤维进行相应的表征。当复合材料经过两次制备与回收后,与原始复合材料的力学性能可以媲美。因此,基于缩醛型动态共价聚合物网络的碳纤维增强复合材料优异的可降解性为解决材料的资源浪费问题带来新的解决思路。综上,本论文将动态缩醛结构引入高分子聚合物当中,制备了一系列缩醛型动态共价聚合物网络及其碳纤维复合材料,并加以实验和表征,证明了其优异的耐溶剂性、热/力学性能和在特定条件下的降解性能,以及回收后的碳纤维的化学组成、表面形貌、力学性能等方面都与回收前无异。这种材料的制备方法简单、可放大,为动态共价聚合物网络的工业化生产提供新思路。
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