CN113292851B - 一种耐高温杂化邻苯二甲腈树脂及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于热固性树脂及其制备技术领域,具体涉及一种耐高温杂化邻苯二甲腈树脂及其制备方法与应用。所述杂化邻苯二甲腈树脂通过下述组合物的混合并搅拌后获得,所述组合物包括以下重量份的组分:邻苯二甲腈类化合物100份,聚硅硼氮烷树脂5‑30份,固化促进剂0.5‑5份。本发明公开的杂化邻苯二甲腈树脂及其固化树脂具有优异的耐热性能和工艺性能,所述杂化邻苯二甲腈树脂适合作为高性能耐热复合材料树脂基体,所述杂化邻苯二甲腈树脂及其固化树脂在军工装备和航空航天等领域具有应用价值。
Description
技术领域
本发明属于热固性树脂及其制备技术领域,具体涉及一种耐高温杂化邻苯二甲腈树脂及其制备方法与应用。
背景技术
耐高温材料可以应用于飞行器的热保护材料,可以在极端环境中使飞行器仍然具有一定的机械强度,使飞行器内部的元件在极端环境中不会裸露在大气环境中,并且这种耐高温材料需要满足长时间使用的需要。因此该材料需要优异的耐热性能,极端环境中的可靠性,良好的加工成型性能以及耐受性能。
邻苯二甲腈树脂是一种集高耐温、高耐溶剂、高模量等优良性能为一体的树脂。但是其较高的熔点(185-235℃),固化物脆性大、无法自催化固化的缺点使得邻苯二甲腈树脂的加工成型难度增大,应用领域受到限制,在更高的环境下(>400℃)无法满足使用要求,因此需要降低邻苯二甲腈树脂的熔点,提高加工性能以及耐高温性能。
已有文献报道提高邻苯二甲腈树脂耐热性能和加工性能的常用方法是将另外一种耐高温树脂与邻苯二甲腈树脂进行掺杂,实现在改善邻苯二甲腈树脂加工性能的同时,提高其耐热性能。例如现有文献中曾报道邻苯二甲腈树脂与苯并噁嗪树脂进行共混,制备了一种耐高温的复合材料,测试结果表明,通过调整两种树脂的含量可以有效的提高树脂基体的耐温性能,在空气中热失重达到5wt.%时的温度为447℃,氮气条件下,800℃时候的残碳率达到72.9%,表现出良好的耐热性。另外一种提高邻苯二甲腈树脂耐热性能的方法为在邻苯二甲腈树脂中掺杂含有无机原子聚合物,如Si,B等。无机原子能够有效的提高树脂基体的耐热性能,并且含有无机原子的聚合物中引入能催化邻苯二甲腈树脂固化的基团,提高了邻苯二甲腈树脂耐热性能,并且能够促进邻苯二甲腈树脂的固化。例如现有文献报道的用二氯硅烷与4-(4-aminophenoxy)phthalonitrile的氨基进行反应,合成了一主链含硅元素的邻苯二甲腈树脂,其树脂固化物的Tg在450℃以上,1000℃的残碳率在80.2%到82.6%之间,但其工艺复杂,无法大规模生产。
发明内容
为了改善现有技术的不足,本发明的目的在于简化有机无机掺杂过程的同时,提高邻苯二甲腈树脂的耐高温性能,改善邻苯二甲腈树脂的加工性能以及固化性能,特此,提供一种耐高温杂化邻苯二甲腈树脂及其制备方法与应用。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种杂化邻苯二甲腈树脂组合物,所述组合物包括以下重量份的各组分:
邻苯二甲腈类化合物 100份,
聚硅硼氮烷树脂 5-30份,
固化促进剂 0.5-5份。
根据本发明,所述组合物包括以下重量份的各组分:
邻苯二甲腈类化合物 100份,
聚硅硼氮烷树脂 5-20份,
固化促进剂 0.5-2份。
其中,所述聚硅硼氮烷树脂例如为5、10、15、20、25或30份。
其中,所述固化促进剂例如为0.5、1、1.5、2、2.5、3、4或5份。
其中,所述聚硅硼氮烷树脂和所述固化促进剂的重量份以邻苯二甲腈类化合物的重量份为基准。
根据本发明的实施方式,所述邻苯二甲腈类化合物为式(1)所示的化合物中的一种或多种:
其中,邻苯二甲腈基团的接枝率为大于0%且小于100%,优选40-80%,例如5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%或95%;
n选自1-20之间的整数,例如为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20,还例如为1-8之间的整数;
优选地,R1、R2、R3、R4相同或不同,彼此独立地选自-H、-OH、-F、-CH3、-CH2CH3、-CH2CH2CH3、-CH(CH3)2、-CF3、*表示连接键;更优选地,R1、R2、R3、R4相同或不同,彼此独立地选自-H、-OH、-F、*表示连接键。
根据本发明的实施方式,邻苯二甲腈基团的接枝率的选择,会对于邻苯二甲腈树脂的耐热性能产生影响,当所述邻苯二甲腈基团的含量越高时,耐热性能越好。这主要是因为聚硼硅氮烷树脂中的Si-烯基和/或Si-H可以与-CN反应,将硅元素和硼元素引入到邻苯二甲腈树脂中,在高温固化过程中,形成SiO2保护膜保护材料内部不被破坏。同时,邻苯二甲腈树脂中的羟基还可以催化-CN聚合,进一步提升邻苯二甲基树脂的耐热性能。
根据本发明的实施方式,所述聚硅硼氮烷树脂的结构式如式(2)所示:
式(2)中,R5和R6相同或不同,各自独立地选自H、取代或未取代的C1~6烷基、C2~6烯基和C6-12芳基,且R5和R6中至少一个基团选自H和C2~6烯基;n1选自3-100之间的整数。
优选地,R5和R6相同或不同,各自独立地选自H、C1~3烷基、C2~4烯基和C6-8芳基,且R5和R6中至少一个基团选自H和C2~4烯基;优选地,R5和R6相同或不同,各自独立地选自H、甲基、乙基、丙基、苯基、烯丙基和乙烯基,且R5和R6中至少一个基团选自H、烯丙基和乙烯基;更优选地,R5和R6相同或不同,各自独立地选自H、甲基、苯基和乙烯基,且R5和R6中至少一个基团选自H和乙烯基。
优选地,n1选自3-20之间的整数。
根据本发明的实施方式,所述聚硅硼氮烷树脂可以是商业途径购买的,也可以是采用本领域已知的方法制备得到的。所述聚硅硼氮烷树脂加入的目的是将无机元素Si和B引入邻苯二甲腈树脂中,其中,硅的引入的目的是使树脂在高温固化过程中形成SiO2保护膜保护材料内部不被破坏,硼的引入的目的是B-O键能高,不易断裂,提高邻苯二甲腈树脂的耐热性能,另外,硅和硼均为抗氧化元素,其引入也有利于提高邻苯二甲腈树脂的耐热性能和抗氧化性能。
根据本发明的实施方式,所述聚硅硼氮烷树脂需要在110-130℃条件下进行高温预处理,优选地120℃;所述高温预处理的目的是除去聚硅硼氮烷树脂中的小分子(如聚硅硼硅氮烷树脂里的低聚物)或者残余溶剂,若是不去除其中的小分子或者残余溶剂,可能会使制备得到的树脂具有多孔结构。还示例性地,所述聚硅硼氮烷树脂在120℃条件下进行高温预处理时间为0.5-6h,优选45min。
根据本发明的实施方式,所述聚硅硼氮烷树脂的高温预处理方法包括以下步骤:
将式(2)所示的聚硅硼氮烷树脂放入容器中,放入烘箱中,保持一定时间后即得处理后的聚硅硼氮烷树脂。
根据本发明的实施方式,容器的形状大小可以是任意,优选100mm×100mm×10mm。
根据本发明的实施方式,烘箱的种类以及型号是任意的,优选鼓风烘箱。
根据本发明的实施方式,处理温度为110-130℃,优选120℃。
根据本发明的实施方式,保持时间可以为0.5-6h,优选45min。
根据本发明的实施方式,所述固化促进剂选自偶氮化合物(例如偶氮二异丁腈)、过氧化物(例如过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰、过硫酸铵)、金属卤化物等中的至少一种,所述固化促进剂的加入目的是促进树脂体系中的不饱和键的反应,例如乙烯基。
其中,所述金属卤化物例如选自Ni的卤化物、Co的卤化物、Fe的卤化物、Zn的卤化物、Ti的卤化物、V的卤化物。例如选自ZnCl2、TiCl4、TiCl3、VOI3、VOCl3。
本发明还提供上述杂化邻苯二甲腈树脂组合物的制备方法,其包括以下步骤:将邻苯二甲腈类化合物、聚硅硼氮烷树脂和固化促进剂混合并搅拌,得到所述杂化邻苯二甲腈树脂组合物。
根据本发明的实施方式,所述搅拌的温度为85-95℃,优选90℃。
根据本发明的实施方式,所述搅拌的时间为1-8h,优选6h。
本发明还提供一种杂化邻苯二甲腈树脂,所述杂化邻苯二甲腈树脂是通过上述杂化邻苯二甲腈树脂组合物制备得到的。
根据本发明,所述杂化邻苯二甲腈树脂是通过上述杂化邻苯二甲腈树脂组合物中的各组分混合并搅拌后制备得到的。
根据本发明的实施方式,所述搅拌的温度为85-95℃,优选90℃。
根据本发明的实施方式,所述搅拌的时间为1-8h,优选6h。
根据本发明的实施方式,所述杂化邻苯二甲腈树脂在100℃的粘度为1.3-2Pa·s。
本发明还提供上述杂化邻苯二甲腈树脂的制备方法,其包括以下步骤:
将邻苯二甲腈类化合物、聚硅硼氮烷树脂和固化促进剂混合并搅拌,即得所述杂化邻苯二甲腈树脂。
根据本发明的实施方式,所述搅拌的温度为85-95℃,优选90℃。
根据本发明的实施方式,所述搅拌的时间为1-8h,优选6h。
本发明还提供一种杂化邻苯二甲腈树脂固化物,所述杂化邻苯二甲腈树脂固化物是通过对杂化邻苯二甲腈树脂进行固化后制备得到的。
根据本发明的实施方式,所述杂化邻苯二甲腈树脂固化物的玻璃化转变温度大于475℃,例如大于500℃,空气条件下热分解温度391-413℃。
根据本发明的实施方式,所述固化包括将上述杂化邻苯二甲腈树脂进行固化处理,得到固化后的杂化邻苯二甲腈树脂。
根据本发明的实施方式,所述固化的温度为120-350℃;所述固化的时间为10-20h;所述固化过程中的升温速率为0-20℃/min,优选3℃/min;示例性地,所述固化升温过程具体为:100℃/2h—120℃/2h—150℃/1h—200℃/1h—250℃/4h—280℃/1h—315℃/1h—350℃/4h。
本发明还提供上述杂化邻苯二甲腈树脂作为高耐热复合材料树脂基体的用途,或者在军工装备和航空航天等领域中的用途。
本发明还提供上述杂化邻苯二甲腈树脂固化物在军工装备和航空航天等领域中的用途。
本发明的有益效果:
本发明公开了一种杂化邻苯二甲腈树脂及其固化树脂,固化前的杂化邻苯二甲腈树脂在100℃的粘度为1.3-2Pa·s,固化后的杂化邻苯二甲腈树脂的玻璃化温度大于475℃,空气条件下热分解温度391-413℃,具有优异的耐热性能、加工性能。
本发明公开了一种杂化耐高温邻苯二甲腈树脂及其固化树脂和其制备方法和应用,所述杂化耐高温邻苯二甲腈树脂通过下述组合物的混合并搅拌后获得,所述组合物包括以下重量份的组分:邻苯二甲腈类化合物100份,聚硅硼氮烷树脂5-30份,固化促进剂0.5-5份。本发明公开的杂化邻苯二甲腈树脂及其固化树脂具有优异的耐热性能和工艺性能,所述杂化邻苯二甲腈树脂适合作为高性能耐热复合材料树脂基体,所述杂化邻苯二甲腈树脂及其固化树脂在军工装备和航空航天等领域具有应用价值。
附图说明
图1为实施例1-4和对比例1得到的杂化邻苯二甲腈树脂的流变性能测试图。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明的制备方法做更进一步的详细说明。应当理解,下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明,而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明,均为常规方法;下述实施例中所用的试剂、材料等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。
对比例1
在装有搅拌器和温度计的三口烧瓶中加入100g式(3)所示的邻苯二甲腈类化合物(n为1-8之间的整数,邻苯二甲腈基团的接枝率为75%),缓慢升温至90℃,90℃搅拌6h后得到邻苯二甲腈树脂。
实施例1
将甲基乙烯基聚硅硼氮烷树脂放入100×100mm的方形铝盒中,放入预先升温至120℃的鼓风烘箱中,保温45min后取出。
在装有搅拌器和温度计的三口烧瓶中加入100g式(3)所示的邻苯二甲腈类化合物(n为1-8之间的整数,邻苯二甲腈基团的接枝率为75%),缓慢升温至90℃,待邻苯二甲腈类化合物融化后,加入5g上述处理后的甲基乙烯基聚硅硼氮烷树脂和0.5克过氧化二异丙苯,90℃搅拌6h后得到耐高温杂化邻苯二甲腈树脂。
实施例2
将甲基乙烯基聚硅硼氮烷树脂放入100×100mm的方形铝盒中,放入预先升温至120℃的鼓风烘箱中,保温45min后取出。
在装有搅拌器和温度计的三口烧瓶中加入100g式(4)所示邻苯二甲腈类化合物(n为1-8之间的整数,邻苯二甲腈基团的接枝率为75%),缓慢升温至90℃,待邻苯二甲腈类化合物融化后,加入5g上述处理后的甲基乙烯基聚硅硼氮烷树脂和1.5克偶氮二异丁腈,90℃搅拌6h后得到耐高温杂化邻苯二甲腈树脂。
实施例3
将苯基乙烯基聚硅硼氮烷树脂放入100×100mm的方形铝盒中,放入预先升温至120℃的鼓风烘箱中,保温45min后取出。
在装有搅拌器和温度计的三口烧瓶中加入100g式(5)所示邻苯二甲腈类化合物(n为1-8之间的整数,邻苯二甲腈基团的接枝率为75%),缓慢升温至90℃,待式邻苯二甲腈类化合物融化后,加入15g上述处理后的苯基乙烯基聚硅硼氮烷树脂和1克过氧化二异丙苯,90℃搅拌6h后得到耐高温杂化邻苯二甲腈树脂。
实施例4
将苯基乙烯基聚硅硼氮烷树脂放入100×100mm的方形铝盒中,放入预先升温至120℃的鼓风烘箱中,保温45min后取出。
在装有搅拌器和温度计的三口烧瓶中加入100g式(3)所示邻苯二甲腈类化合物(n为1-8之间的整数,邻苯二甲腈基团的接枝率为75%),缓慢升温至90℃,待邻苯二甲腈类化合物融化后,加入20g上述处理后的甲基乙烯基聚硅硼氮烷树脂和2克过氧化苯甲酰,90℃搅拌6h后得到耐高温杂化邻苯二甲腈树脂。
测试例1
将实施例1-4得到的杂化邻苯二甲腈树脂和对比例1得到的邻苯二甲腈树脂进行DSC测试,具体的数据列于表1中。
表1实施例1-4和对比例1得到的树脂的DSC测试结果
从表1中可以看出,加入聚硅硼氮烷树脂后,促进了邻苯二甲腈树脂的固化,对比例1的起始固化温度为259℃,实施例1-4的起始固化温度为204-221℃。并且加入聚硅硼氮烷树脂后,放热焓变明显降低,固化反应更为温和,适宜制备大尺寸构件。
测试例2
将实施例1-4得到的杂化邻苯二甲腈树脂和对比例1得到的邻苯二甲腈树脂进行流变性能测试,以100℃的粘度为例,具体的数据为:对比例1的粘度为2.0Pa·s、实施例1的粘度为1.4Pa·s、实施例2的粘度为1.3Pa·s、实施例3的粘度为1.9Pa·s、实施例4的粘度为1.43Pa·s。具体可以参考图1。从测试得到的结果以及图1可以看出,加入聚硅硼氮烷树脂后,降低了邻苯二甲腈树脂的粘度,增大其流动性,加工性能改善。
测试例3
将实施例1-4得到的杂化邻苯二甲腈树脂和对比例1得到的邻苯二甲腈树脂倒入定制的钢质模具中,置于电热恒温干燥箱中分段固化。固化升温过程为:100℃/2h—120℃/2h—150℃/1h—200℃/1h—250℃/4h—280℃/1h—315℃/1h—350℃/4h。固化后树脂的热分解温度列于表2中,固化后树脂的玻璃化转变温度列于表3中。
表2
从上述表2可以看出,对比例1和实施例1-4的热分解温度几乎没差别,但是固化后的树脂最大热分解温度和残碳率有较明显提升,说明树脂的耐热性和抗氧化性有所提高。
表3
固化树脂 | 对比例1 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 |
玻璃化转变温度(℃) | 431 | 475 | 480 | 496 | >500 |
从表3中可以看出,加入聚硅硼氮烷树脂后,显著提高了邻苯二甲腈固化树脂的玻璃化转变温度。与对比例1相比,实施例1-3的玻璃化温度分别提高44℃、49℃和65℃。特别是实施例4,其固化树脂的玻璃化温度超过500℃,超出仪器检测上限。
如上所述,根据本发明可以安全,简易地制备耐高温杂化邻苯二甲腈树脂及其固化树脂,获得了工艺性能,耐热性能均优异的杂化邻苯二甲腈树脂。
以上,对本发明的实施方式进行了说明。但是,本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (29)
2.根据权利要求1所述的组合物,其中,所述组合物包括以下重量份的各组分:
邻苯二甲腈类化合物 100份,
聚硅硼氮烷树脂 5-20份,
固化促进剂 0.5-2份。
3.根据权利要求1所述的组合物,其中,邻苯二甲腈基团的接枝率为40-80%。
7.根据权利要求6所述的组合物,其中,R5和R6相同或不同,各自独立地选自H、C1~3烷基、C2~4烯基和C6-8芳基,且R5和R6中至少一个基团选自H和C2~4烯基。
8.根据权利要求7所述的组合物,其中,R5和R6相同或不同,各自独立地选自H、甲基、乙基、丙基、苯基、烯丙基和乙烯基,且R5和R6中至少一个基团选自H、烯丙基和乙烯基。
9.根据权利要求8所述的组合物,其中,R5和R6相同或不同,各自独立地选自H、甲基、苯基和乙烯基,且R5和R6中至少一个基团选自H和乙烯基。
10.根据权利要求6所述的组合物,其中,n1选自3-20之间的整数。
11.根据权利要求6所述的组合物,其中,所述聚硅硼氮烷树脂需要在110-130℃条件下进行高温预处理,所述聚硅硼氮烷树脂在120℃条件下进行高温预处理时间为0.5-6h。
12.根据权利要求11所述的组合物,其中,所述聚硅硼氮烷树脂的高温预处理方法包括以下步骤:
将式(2)所示的聚硅硼氮烷树脂放入容器中,放入烘箱中,保持一定时间后即得处理后的聚硅硼氮烷树脂。
13.根据权利要求1所述的组合物,其中,所述固化促进剂选自偶氮化合物、过氧化物、金属卤化物中的至少一种。
14.根据权利要求13所述的组合物,其中,所述偶氮化合物选自偶氮二异丁腈,所述过氧化物选自过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰、过硫酸铵中的至少一种。
15.权利要求1-14任一项所述的杂化邻苯二甲腈树脂组合物的制备方法,其包括以下步骤:
将邻苯二甲腈类化合物、聚硅硼氮烷树脂和固化促进剂混合并搅拌,得到所述杂化邻苯二甲腈树脂组合物。
16.根据权利要求15所述的制备方法,其中,所述搅拌的温度为85-95℃,所述搅拌的时间为1-8h。
17.根据权利要求16所述的制备方法,其中,所述搅拌的温度为90℃,所述搅拌的时间为6h。
18.一种杂化邻苯二甲腈树脂,其中,所述杂化邻苯二甲腈树脂是通过权利要求1-14任一项所述的杂化邻苯二甲腈树脂组合物制备得到的。
19.根据权利要求18所述的杂化邻苯二甲腈树脂,其中,所述杂化邻苯二甲腈树脂是通过权利要求1-14任一项所述的杂化邻苯二甲腈树脂组合物中的各组分混合并搅拌后制备得到的。
20.根据权利要求19所述的杂化邻苯二甲腈树脂,其中,所述搅拌的温度为85-95℃,所述搅拌的时间为1-8h。
21.根据权利要求20所述的杂化邻苯二甲腈树脂,其中,所述搅拌的温度为90℃,所述搅拌的时间为6h。
22.权利要求18-21任一项所述的杂化邻苯二甲腈树脂的制备方法,其包括以下步骤:
将邻苯二甲腈类化合物、聚硅硼氮烷树脂和固化促进剂混合并搅拌,即得所述杂化邻苯二甲腈树脂。
23.根据权利要求22所述的杂化邻苯二甲腈树脂的制备方法,其中,所述搅拌的温度为85-95℃,所述搅拌的时间为1-8h。
24.根据权利要求23所述的杂化邻苯二甲腈树脂的制备方法,其中,所述搅拌的温度为90℃,所述搅拌的时间为6h。
25.一种杂化邻苯二甲腈树脂固化物,其中,所述杂化邻苯二甲腈树脂固化物是通过对权利要求18-21任一项所述的杂化邻苯二甲腈树脂进行固化后制备得到的。
26.根据权利要求25所述的杂化邻苯二甲腈树脂固化物,其中,所述固化的温度为120-350℃;所述固化的时间为10-20h;所述固化过程中的升温速率为0-20℃/min。
27.根据权利要求26所述的杂化邻苯二甲腈树脂固化物,其中,所述固化升温过程具体为:100℃/2h—120℃/2h—150℃/1h—200℃/1h—250℃/4h—280℃/1h—315℃/1h—350℃/4h。
28.权利要求18-21任一项所述的杂化邻苯二甲腈树脂作为高耐热复合材料树脂基体的用途,或者在军工装备和航空航天领域中的用途。
29.权利要求25-27任一项所述的杂化邻苯二甲腈树脂固化物在军工装备和航空航天领域中的用途。
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