CN110183821A - 一种乙烯基吡啶型邻苯二甲腈与环氧树脂复合材料的制备方法 - Google Patents
一种乙烯基吡啶型邻苯二甲腈与环氧树脂复合材料的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明为一种乙烯基吡啶型邻苯二甲腈与环氧树脂复合材料的制备方法。该方法包括以下步骤:将乙烯基吡啶型邻苯二甲腈单体与环氧树脂、芳香胺类固化剂在140~190℃下熔融混合然后依次在160~165℃、180~185℃、200~205℃、220~225℃、240~245℃五个温度段进行程序升温反应,每个温度段各反应2~3小时,制得乙烯基吡啶型邻苯二甲腈改性环氧树脂复合材料。本方法制备的复合材料相较于纯环氧树脂而言性能提升显著,并且本发明合成周期短,产率高,加工工艺简单。
Description
技术领域
本发明属于耐高温高分子材料制备领域,涉及一种乙烯基吡啶型邻苯二甲腈与环氧树脂复合材料及制备方法。
背景技术
邻苯二甲腈树脂是一种热固性耐高温树脂材料,简称为聚苯腈树脂。该树脂是在活性氢催化下受热经本体聚合而来,由于聚合物结构中含有大量刚性芳杂环以及氰基结构,这赋予了材料较好的热稳定性、机械性能、阻燃性能、力学性能等优点,有望在航空航天、电子封装、船舶舰载等领域发挥重要作用。
自20世纪80年代由美国海军实验室Keller团队率先开发出至今,聚苯腈树脂得到了深入研究发展,通过分子设计理念,多种结构的聚苯腈树脂已被成功制备。包括低聚双酚A型(Keller T M,Dominguez D D,Laskoski M.Oligomeric bisphenol A-based PEEK-like phthalonitrile-cure and polymer properties[J].Journal of Polymer SciencePart A:Polymer Chemistry,2016,54(23):3769-3777.)、低聚间苯二酚型(Laskoski M,Schear M B,Neal A,et al.Improved synthesis and properties of aryl ether-basedoligomeric phthalonitrile resins and polymers[J].Polymer,2015,67:185-191.)、含吡啶结构型(Xi Z,Chen X,Yu X,et al.Synthesis and properties of a novel hightemperature pyridine-containing phthalonitrile polymer[J].Journal of PolymerScience Part A:Polymer Chemistry,2016,54(24):3819-3825.)、三嗪N-杂环型(ShengH,Zhao F,Yu X,et al.Synthesis and thermal properties of high-temperaturephthalonitrile polymers based on 1,3,5-triazines[J].High PerformancePolymers,2015,28(5):600-609.)、烷基多酚型(Sheng H,Peng X,Guo H,et al.Synthesisand thermal properties of a novel high temperature alkyl-center-trisphenolic-based phthalonitrile polymer[J].Materials Chemistry and Physics,2013,142(2):740-747.),但上述邻苯二甲腈单体加工性能较为一般。
环氧树脂是指分子中含有2个及以上环氧基团并在固化剂存在条件下可以形成三维网状聚合物的化合物总称,具有粘度低、黏结性好、加工性能出色的特点。但环氧树脂的玻璃化转变温度和热分解温度较低,表明环氧树脂的热稳定性和阻燃性较差,这在一定程度上限制了环氧树脂的应用范围。目前环氧树脂的改性多针对于增韧改性,很少对其热稳定性和机械性能进行改性提高。而聚苯腈树脂是在未改性环境下唯一达到美国军方使用耐火标准(MIL-STD-2031)的树脂基材料,具有极为出色的热稳定性、机械性能。但聚苯腈树脂由于价格昂贵,制备工艺流程复杂困难。这使得聚苯腈树脂在民用领域很难被应用,无法利用其出色的性能。环氧树脂是一种价廉易得的普通热固性树脂材料,常用于各个民用领域,但环氧树脂自身的热稳定性、阻燃性和尺寸稳定性较差,严重制约了其在高温高压等环境下的使用。
发明内容
本发明的目的在于针对环氧树脂存在以上技术背景问题,我们研发出一种乙烯基吡啶型苯腈单体,具有首创性。并首次添加到环氧树脂中共聚,制备新材料。提供这种邻苯二甲腈与环氧树脂复合材料的制备方法。本方法制备的复合材料相较于纯环氧树脂而言性能提升显著,并且本发明合成周期短,产率高,加工工艺简单。
本发明的技术方案为:
一种乙烯基吡啶型邻苯二甲腈与环氧树脂复合材料的制备方法,包括以下步骤:
将乙烯基吡啶型邻苯二甲腈单体与环氧树脂、芳香胺类固化剂在140~190℃下熔融混合10~30分钟,然后趁热转移至模具,然后依次在160~165℃、180~185℃、200~205℃、220~225℃、240~245℃五个温度段进行程序升温反应,每个温度段各反应2~3小时,制得乙烯基吡啶型邻苯二甲腈改性环氧树脂复合材料;
其中,质量比为乙烯基吡啶型邻苯二甲腈单体:环氧树脂的1:10~1:1,质量比为两者共混物:固化剂=1:0.2~1:0.4;
所述的环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚S型环氧树脂或氢化双酚A型环氧树脂。
所述的芳香胺类固化剂为4,4’-二氨基二苯基甲烷、4,4’-二氨基二苯醚、3,4’-二氨基二苯醚、4,4’-二氨基二苯砜、4,4’-双(3-氨基苯氧基)苯或4,4’-双(3-氨基苯氧基)二苯砜。
所述的乙烯基吡啶型邻苯二甲腈单体为2,6-双[3-(3,4-二氰基苯氧基)苯乙烯基]吡啶。
一种乙烯基吡啶型邻苯二甲腈单体,即2,6-双[3-(3,4-二氰基苯氧基)苯乙烯基]吡啶;该单体的结构式如下:
所述的乙烯基吡啶型邻苯二甲腈单体的制备方法,包括以下步骤:
向反应器中加入2,6-双(3-羟基苯乙烯基)吡啶、碱性催化剂和有机溶剂,惰性气体保护下在80~90℃下搅拌1~2小时,然后加入4-硝基邻苯二甲腈,继续在80~90℃条件下搅拌反应6~8小时;冷却至室温后将反应液倒入低温去离子水中以析出产物,减压抽滤,去离子水洗涤,最后真空干燥,得乙烯基吡啶型邻苯二甲腈单体即2,6-双[3-(3,4-二氰基苯氧基)苯乙烯基]吡啶;
其中,原料摩尔配比2,6-双(3-羟基苯乙烯基)吡啶:4-硝基邻苯二甲腈:碱性催化剂=1:2:1~2,每1摩尔2,6-双(3-羟基苯乙烯基)吡啶需要有机溶剂800~1500mL,所述的低温去离子水为3~8℃;
所述的碱性催化剂为无水碳酸钾、无水碳酸钠或无水碳酸氢钾。
所述的有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜或N-甲基吡咯烷酮。
所述的惰性气体为氮气或氩气。
所述化学试剂均为市售所得。
本发明的实质性特点为:
本发明开发出一种乙烯基吡啶型苯腈单体作为改性材料,与环氧树脂进行共混处理,制备出具有出色的综合性能的聚苯腈/环氧树脂复合材料,显著提高环氧树脂的热稳定性、机械性能、阻燃性能,并降低了成本,具有很强的实用性。
本发明的有益效果在于:
将一种乙烯基吡啶型邻苯二甲腈与环氧树脂复合制得新型高分子材料,可通过控制乙烯基吡啶型邻苯二甲腈的添加量来调控复合材料性能,结构新颖,设计性强。由于两者均能在芳香胺类固化剂作用下聚合,相容性好,使共聚物在分子水平上实现协同作用,形成互穿网络结构,从而使该种复合材料具有出色的热稳定性、机械性能、尺寸稳定性和阻燃性能。向环氧树脂中添加50wt%的乙烯基吡啶型邻苯二甲腈时,其在氮气氛围下850℃时的残炭率即可从21%提升到56%(见图3),储能模量从2028MPa提升到2780MPa(见图4),玻璃化转变温度从135℃提升至236℃(见图5)。
附图说明
图1是实施例1得到的乙烯基吡啶型邻苯二甲腈的核磁氢谱谱图。
图2是实施例1得到的乙烯基吡啶型邻苯二甲腈的核磁碳谱谱图。
图3是实施例1、2、3、4中乙烯基吡啶型邻苯二甲腈与双酚A型环氧树脂的质量比分别为1:9、1:3、1:1时以及纯环氧树脂固化后产物在氮气气氛下的TGA谱图。
图4是实施例1、2、3、4中乙烯基吡啶型邻苯二甲腈与双酚A型环氧树脂的质量比分别为1:9、1:3、1:1时以及纯环氧树脂固化后产物的储能模量谱图。
图5是实施例1、2、3、4中乙烯基吡啶型邻苯二甲腈与双酚A型环氧树脂的质量比分别为1:9、1:3、1:1时以及纯环氧树脂固化后产物的损耗因子谱图。
具体实施方式
实施例1
单体合成:
向反应器中加入16.01g(50.79mmol)2,6-双(3-羟基苯乙烯基)吡啶和14.05g(101.66mmol)无水碳酸钾,再加入60mL DMF(N,N-二甲基甲酰胺),加热至90℃,搅拌反应1小时,加入17.59g(101.60mmol)4-硝基邻苯二甲腈,氮气保护下再搅拌反应7小时;停止反应后将反应液冷却至室温,缓慢倒入低温去离子水(5℃)中,搅拌均匀至产物析出,静置3小时,减压抽滤,然后用大量去离子水洗涤至滤液澄清透明,60℃下真空干燥48小时,得到单体乙烯基吡啶型邻苯二甲腈,呈灰褐色固体粉末状,产率为92%。结构如下:
固化:
以质量比1:9称取上面合成的乙烯基吡啶型苯腈单体和双酚A型环氧树脂于烧杯中,加入相对于两者总质量20%的胺类固化剂4,4’-二氨基二苯基甲烷,加入相对于两者总质量80%的丙酮分散,搅拌均匀后转移至铝箔模具中,在真空烘箱加热至160℃使共混物熔融,真空脱气15min,最后转移至马弗炉中以160℃/4h、180℃/2h、200℃/2h、220℃/2h、240℃/2h的阶梯升温程序完成固化,温度间升温速率为5℃/min,最后冷却至室温得乙烯基吡啶型邻苯二甲腈与环氧树脂复合材料。
实施例2
其他步骤同实施例1,不同之处为:乙烯基吡啶型邻苯二甲腈与双酚A型环氧树脂的质量比为1:3。
实施例3
其他步骤同实施例1,不同之处为:乙烯基吡啶型邻苯二甲腈与双酚A型环氧树脂的质量比为1:1。
实施例4
其他步骤同实施例1,不同之处为:只有双酚A型环氧树脂,不加入乙烯基吡啶型邻苯二甲腈进行改性。
图1为乙烯基吡啶型苯腈单体的核磁氢谱谱图,从图可以看出,谱图的基线平整,所有氢都能一一对应且峰型清晰无杂峰,说明产物纯度较高无杂质。通过计算单体结构中各个氢都在核磁氢谱谱图中得到证明,证明了乙烯基吡啶型邻苯二甲腈单体被成功制备。
图2为乙烯基吡啶型苯腈单体的核磁碳谱谱图,从图可以看出,谱图的基线平整,所有碳都能一一对应且峰型清晰无杂峰,结合核磁氢谱谱图,可以确认乙烯基吡啶型邻苯二甲腈单体被成功制备。
图3是实施例1、2、3、4中乙烯基吡啶型邻苯二甲腈与双酚A型环氧树脂的质量比分别为1:9、1:3、1:1时以及纯环氧树脂固化后产物的TGA谱图。采用TA Q600型热失重分析仪,以10℃/min升温速率对复合材料进行测试,在氮气下的热分解温度数据如下:实施例1,2,3,4的残碳率(850℃)分别为34%、54%、56%和21%,可以得知共聚物中乙烯基吡啶型邻苯二甲腈质量分数的增加,复合材料的热稳定性显著提升。并通过Van Krevelen方程可以得知加入乙烯基吡啶型邻苯二甲腈后,复合材料具有了阻燃性能。
图4是实施例1、2、3、4中乙烯基吡啶型邻苯二甲腈与双酚A型环氧树脂的质量比分别为1:9、1:3、1:1时以及纯环氧树脂固化后产物的储能模量谱图。采用TA Q800动态热力学分析仪,以5℃/min升温速率对复合材料进行测试。由图可知,纯环氧树脂在30℃时储能模量为2028MPa,加入不同添加质量比例的乙烯基吡啶型邻苯二甲腈,共聚后形成的杂环结构刚性较强,与环氧树脂分子缠绕在一起,较好的提高了相间结合力,出现储能模量增加的现象,机械性能和尺寸稳定性大幅提高。
图5是实施例1、2、3、4中乙烯基吡啶型邻苯二甲腈与双酚A型环氧树脂的质量比分别为1:9、1:3、1:1时以及纯环氧树脂固化后产物的玻璃化转变温度谱图。采用TA Q800动态热力学分析仪,以5℃/min升温速率对复合材料进行测试。由图可知,相对于纯环氧树脂的玻璃化转变温度135℃,复合材料的玻璃化转变温度增加至157℃-236℃。随着乙烯基吡啶型邻苯二甲腈添加量的增多,玻璃化转变温度增大,表明乙烯基吡啶型邻苯二甲腈的加入使共聚物具有出色的刚性和力学性能。
实施例5
将实施例1得到的乙烯基吡啶型邻苯二甲腈与双酚S型环氧树脂以质量比1:9加入烧杯中,加入相对于两者总质量30%的胺类固化剂4,4’-二氨基二苯醚,加入相对于两者总质量80%的丙酮分散,搅拌均匀后转移至铝箔模具中,在真空烘箱加热至160℃使共混物熔融,真空脱气15min,最后转移至马弗炉中以165℃/4h、185℃/2h、205℃/2h、225℃/2h、245℃/2h的阶梯升温程序完成固化,最后冷却至室温得乙烯基吡啶型邻苯二甲腈与环氧树脂复合材料。
实施例6
其他步骤同实施例5,不同之处为:实施例1得到的乙烯基吡啶型邻苯二甲腈与双酚S型环氧树脂的质量比为1:3。
实施例7
其他步骤同实施例5,不同之处为:实施例1得到的乙烯基吡啶型邻苯二甲腈与双酚S型环氧树脂的质量比为1:1。
实施例8
其他步骤同实施例5,不同之处为:只有双酚S型环氧树脂,不加入乙烯基吡啶型邻苯二甲腈进行改性。
实施例9
将实施例1得到的乙烯基吡啶型邻苯二甲腈与氢化双酚A型环氧树脂以质量比1:9加入烧杯中,加入相对于两者总质量40%的胺类固化剂4,4’-双(3-氨基苯氧基)二苯砜,加入相对于两者总质量80%的丙酮分散,搅拌均匀后转移至铝箔模具中,在真空烘箱加热至160℃使共混物熔融,真空脱气15min,最后转移至马弗炉中以165℃/4h、185℃/2h、205℃/2h、225℃/2h、245℃/2h的阶梯升温程序完成固化,最后冷却至室温得乙烯基吡啶型邻苯二甲腈与环氧树脂复合材料。
实施例10
其他步骤同实施例9,不同之处为:实施例1得到的乙烯基吡啶型邻苯二甲腈与氢化双酚A型环氧树脂的质量比为1:3。
实施例11
其他步骤同实施例9,不同之处为:实施例1得到的乙烯基吡啶型邻苯二甲腈与氢化双酚A型环氧树脂的质量比为1:1。
实施例12
其他步骤同实施例9,不同之处为:只有氢化双酚A型环氧树脂,不加入乙烯基吡啶型邻苯二甲腈进行改性。
实验例5~8,实验例9~12获得复合材料的相关性能与近似于实验例1~4。
所述的化学试剂均为市售获得。
本发明未尽事宜为公知技术。
Claims (8)
1.一种乙烯基吡啶型邻苯二甲腈与环氧树脂复合材料的制备方法,其特征为该方法包括以下步骤:
将乙烯基吡啶型邻苯二甲腈单体与环氧树脂、芳香胺类固化剂在140~190℃下熔融混合10~30分钟,然后趁热转移至模具,然后依次在160~165℃、180~185℃、200~205℃、220~225℃、240~245℃五个温度段进行程序升温反应,每个温度段各反应2~3小时,制得乙烯基吡啶型邻苯二甲腈改性环氧树脂复合材料;
其中,质量比为乙烯基吡啶型邻苯二甲腈单体:环氧树脂的1:10~1:1,质量比为两者共混物:固化剂=1:0.2~1:0.4;
所述的乙烯基吡啶型邻苯二甲腈单体为2,6-双[3-(3,4-二氰基苯氧基)苯乙烯基]吡啶。
2.如权利要求1所述的乙烯基吡啶型邻苯二甲腈与环氧树脂复合材料的制备方法,其特征为所述的环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚S型环氧树脂或氢化双酚A型环氧树脂。
3.如权利要求1所述的乙烯基吡啶型邻苯二甲腈与环氧树脂复合材料的制备方法,其特征为所述的芳香胺类固化剂为4,4’-二氨基二苯基甲烷、4,4’-二氨基二苯醚、3,4’-二氨基二苯醚、4,4’-二氨基二苯砜、4,4’-双(3-氨基苯氧基)苯或4,4’-双(3-氨基苯氧基)二苯砜。
4.一种乙烯基吡啶型邻苯二甲腈单体,其特征为该单体的结构式如下:
5.如权利要求4所述的乙烯基吡啶型邻苯二甲腈单体的制备方法,其特征为该方法包括以下步骤:
向反应器中加入2,6-双(3-羟基苯乙烯基)吡啶、碱性催化剂和有机溶剂,惰性气体保护下在80~90℃下搅拌1~2小时,然后加入4-硝基邻苯二甲腈,继续在80~90℃条件下搅拌反应6~8小时;冷却至室温后将反应液倒入低温去离子水(3~8℃)中以析出产物,减压抽滤,去离子水洗涤,最后真空干燥,得乙烯基吡啶型邻苯二甲腈单体即2,6-双[3-(3,4-二氰基苯氧基)苯乙烯基]吡啶;
其中,原料摩尔配比2,6-双(3-羟基苯乙烯基)吡啶:4-硝基邻苯二甲腈:碱性催化剂=1:2:1~2,每1摩尔2,6-双(3-羟基苯乙烯基)吡啶需要有机溶剂800~1500mL,所述的低温去离子水为3~8℃。
6.如权利要求5所述的乙烯基吡啶型邻苯二甲腈单体的制备方法,其特征为所述的碱性催化剂为无水碳酸钾、无水碳酸钠或无水碳酸氢钾。
7.如权利要求5所述的乙烯基吡啶型邻苯二甲腈单体的制备方法,其特征为所述的有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜或N-甲基吡咯烷酮。
8.如权利要求5所述的乙烯基吡啶型邻苯二甲腈单体的制备方法,其特征为所述的惰性气体为氮气或氩气。
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