CN113817212B - 一种苯并噁嗪腈基树脂三明治结构泡沫及其制备方法 - Google Patents

一种苯并噁嗪腈基树脂三明治结构泡沫及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种含苯并噁嗪环的腈基树脂三明治结构泡沫及其制备方法。本发明的三明治结构泡沫由含苯并噁嗪环的腈基树脂，发泡剂，稳定剂组成，通过一定的翻转发泡工艺和固化条件制得。所得三明治结构泡沫继承了苯并噁嗪良好的加工性及腈基树脂的耐温性，泡孔分布均匀，强度高，耐温性好，性能可调控。并且，本发明三明治结构泡沫一体成型，制备工艺简单可控，可成型不同尺寸形状的制品，与目前工业设备相匹配，适合规模化生产。

Description

一种苯并噁嗪腈基树脂三明治结构泡沫及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子泡沫技术领域，具体涉及一种含苯并噁嗪环的腈基树脂三明治结构泡沫及其制备方法。
背景技术
高分子泡沫是气相分散于固相高分子中所形成的多孔材料，其具有质轻、隔热、隔音、阻尼等特点。以高分子泡沫作为夹层，以其他材料作为蒙皮，可制备出具有三明治结构的复合材料，俗称夹层复合材料，广泛用于热防护、减震阻尼、浮力减重、透波等领域。
苯并噁嗪作为一种新型的含氮酚醛，不仅具有良好的固化性能，而且加工性能优异。且苯并噁嗪树脂熔体粘度较大，利于固化定型和泡沫增长同步进行，因此是制备高分子泡沫的良好树脂基体。但随着航空航天、船舶战舰、高频通讯等高端装备服役温度的不断升高，现有技术制备的苯并噁嗪树脂泡沫的耐温性不足，难以满足应用需求。比如专利CN105367792A公布了无需发泡剂，本征型发泡的喹喔啉二胺型苯并噁嗪泡沫，粒径为200微米，然而其玻璃化温度仅为215℃，分解5％的温度约为360℃。
腈基树脂是一类含有邻苯二甲腈结构、可加聚固化的新型热固性特种高分子，其富含刚性芳杂环的固化结构赋予腈基树脂复合材料耐高温、自阻燃、高强度、耐腐蚀性等。目前，针对腈基树脂多孔材料主要集中在以腈基树脂为碳源制备碳泡沫。腈基树脂在高温下具有极高的残炭率，其是制备碳泡沫的良好前驱体。然而，从经济角度考虑，原材料和加工成本极高的腈基树脂作为碳源，其性价比难与高残炭的普通热固性树脂(如酚醛，苯并噁嗪)或生物质碳源(酒糟，天然纤维)竞争。而腈基树脂作为特种高分子，其高分子泡沫可能发挥其特种高分子的竞争优势，扩大腈基树脂的应用领域。目前，暂未有关于腈基树脂的高分子泡沫制备方法的报道，也未见含苯并噁嗪环的腈基树脂三明治结构泡沫的制备方法。
发明内容
针对上述技术中存在的问题，本发明拟提供一种含苯并噁嗪环的腈基树脂三明治结构泡沫及其制备方法。
因为高分子泡沫特有的结构性能特征，三明治结构是其实际应用中最为典型的结构形式，通常以高分子泡沫作为夹层，以其他材料作为蒙皮结构的材料。但这种三明治结构在拉伸、弯曲或冲击载荷下的响应需要依赖界面有效传递载荷，局部位置层间脱开会造成界面应力分布不均匀，使得载荷传递受阻，严重时还会造成泡沫局部扭曲或撕裂破坏。发明人通过对高分子泡沫的配方和制备工艺进行研究筛选，制备了一体化的三明治结构泡沫，无需额外增加蒙皮结构。
本发明采用的技术方案如下：
一种苯并噁嗪腈基树脂三明治结构泡沫的制备方法，包括以下步骤：
(1)混合烘干：室温下，将泡沫稳定剂、分散介质、发泡剂和苯并噁嗪腈基树脂充分混合，然后烘干，得到混合烘干粉末。
(2)翻转发泡：将上述粉末置于可翻转模具中，140-200℃发泡0.5-6h，在发泡的过程中，每间隔1-3min翻转模具1次。
(3)固化脱模：采用200-340℃下固化1-18h；冷却脱模后得到苯并噁嗪腈基树脂三明治结构泡沫。
在混合过程中可以采用搅拌、超声或球磨等手段使得原料充分混合。
其中，各组分质量份数为苯并噁嗪腈基树脂为90-95份，发泡剂为1-5份，泡沫稳定剂为5-10份。
进一步地，所述苯并噁嗪腈基树脂为具有对称结构的苯并噁嗪腈基树脂，包括邻苯二酚型、间苯二酚型、对苯二酚型、双酚A型、双酚S型、双酚P型、双酚F型、联苯二酚型含苯并噁嗪环的腈基树脂中的任一种。
发明人通过试验发现，除了偶氮二甲酰胺外，偶氮类其它化合物发泡温度和含苯并噁嗪环腈基树脂的成型温度不匹配，很难做出泡沫，更无法制得三明治结构的泡沫，并且制得产品虽然具有较好的耐温性能，但力学性能较差，压缩强度和比强度都较三明治结构的泡沫更低。因此，本发明中，发泡剂选自偶氮二甲酰胺。
进一步地，所述泡沫稳定剂选自吐温-80、吐温-60、吐温-40中的任一种。
进一步地，所述分散介质，选自乙醇、水、丙酮中的一种或多种。
进一步地，步骤(1)中烘干温度应当控制在80℃以内，以防发泡剂缓慢分解。
进一步地，步骤(3)中固化可采用200-240℃/1-6h；250-290℃/1-6h；300-340℃/1-6h的一段或者几段进行固化。
本发明还提供一种采用上述方法制得的苯并噁嗪腈基树脂三明治结构泡沫。
本发明的有益效果是：
1、传统三明治结构材料以高分子泡沫作为夹层，以其他材料作为蒙皮，需要考虑夹层与蒙皮之间的粘结牢靠性和实用稳定性，制备繁琐，工艺复杂。本发明通过配方筛选以及翻转发泡的方式，制得泡沫表面致密，内部均匀多孔，是一体化三明治结构的泡沫。
2、本发明中含苯并噁嗪的腈基树脂泡沫继承了苯并噁嗪良好的加工性能及腈基树脂的耐温性，应用范围更加广阔；且含苯并噁嗪的腈基树脂结构种类较多，给予了三明治结构泡沫的灵活的配方选择性，进一步通过调整配方和工艺参数，可制备不同孔径大小、不同密度、不同性能的三明治泡沫，能够满足不同应用场合的性能需求。
3、本发明的三明治泡沫制备工艺简单，设备便捷，可随模具随意调控所得三明治泡沫的尺寸形状，能够满足不用尺寸形状的制件需求，具有广阔的工业化应用前景。
附图说明
图1为对比例3-6和发明实施例1的实物图(块体)对比；
图2为对比例6(左图)和发明实施例1(右图)的扫描电镜图对比；
图3为对比例6(左图)和发明实施例1(右图)的粒径分布对比；
图4为对比例6(左图)和发明实施例1(右图)的应力-应变曲线对比；
图5为本发明实施例2的实物图(圆柱体)。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
对比例1
专利CN105367792A公开的自发泡喹喔啉二胺型苯并噁嗪泡沫，为非三明治结构泡沫(参见其说明书附图图1a)，发泡-固化工艺：160℃/2h，180℃/3h，200℃/3h；粒径为200微米，然而其玻璃化温度仅为215℃，分解5％的温度约为360℃，800℃氮气下的残炭率53.6％。
对比例2
文献Zhang,Liying,et al."Phthalonitrile-Based Carbon Foam with HighSpecific Mechanical Strength and Superior Electromagnetic InterferenceShielding Performance."ACS Applied Materials&Interfaces(2016):7422报道的间苯二酚型腈基树脂碳泡沫，其碳化前的C280样品为非三明治结构泡沫(参见其Figure 1和2)，发泡工艺：220℃/2h；固化工艺：250℃/2h，280℃/2h。800℃氮气下的残炭率60.0％(其在800℃碳化后失重约为40％)；密度：0.152g/cm3；比强度：12.3MPa·cm3/g。
对比例3
双酚A型含苯并噁嗪环的腈基树脂泡沫：(1)混合烘干：于室温下，将吐温-80(2.5g)加入到去离子水(20g)中，再加入双酚A型含苯并噁嗪环的腈基树脂(22.5g)，在机械搅拌(200r/min)和超声(100W)情况下混合30min，得到粘稠液体，然后转移至表面皿，于80℃/12h进行烘干，得到金黄色的粉末。(2)翻转发泡：将上述粉末置于模具中，于150℃发泡2h，在发泡的过程中，每间隔2min上下翻转模具1次。(3)静置固化：采用200℃/1h；250℃/1h进行固化；冷却脱模后得到双酚A型含苯并噁嗪环的腈基树脂泡沫。
对比例4
双酚A型含苯并噁嗪环的腈基树脂泡沫：(1)混合烘干：于室温下，将偶氮二甲酰胺(0.25g)和双酚A型含苯并噁嗪环的腈基树脂(25.0g)在机械搅拌(200r/min)和超声(100W)情况下混合30min，得到粘稠液体，然后转移至表面皿，于80℃/12h进行烘干，得到金黄色的粉末。(2)翻转发泡：将上述粉末置于模具中，于150℃发泡2h，在发泡的过程中，每间隔2min上下翻转模具1次。(3)静置固化：采用200℃/1h；250℃/1h进行固化；冷却脱模后得到双酚A型含苯并噁嗪环的腈基树脂泡沫。
对比例5
双酚A型含苯并噁嗪环的腈基树脂泡沫：(1)混合烘干：于室温下，将吐温-80(2.5g)加入到去离子水(20g)中，再加入氨基偶氮苯(0.25g)和双酚A型含苯并噁嗪环的腈基树脂(22.5g)，在机械搅拌(200r/min)和超声(100W)情况下混合30min，得到粘稠液体，然后转移至表面皿，于80℃/12h进行烘干，得到金黄色的粉末。(2)翻转发泡：将上述粉末置于模具中，于150℃发泡2h，在发泡的过程中，每间隔2min上下翻转模具1次。(3)静置固化：采用200℃/1h；250℃/1h进行固化；冷却脱模后得到双酚A型含苯并噁嗪环的腈基树脂泡沫。
对比例6
双酚A型含苯并噁嗪环的腈基树脂泡沫：(1)混合烘干：于室温下，将吐温-80(2.5g)加入到去离子水(20g)中，再加入偶氮二甲酰胺(0.25g)和双酚A型含苯并噁嗪环的腈基树脂(22.5g)，在机械搅拌(200r/min)和超声(100W)情况下混合30min，得到粘稠液体，然后转移至表面皿，于80℃/12h进行烘干，得到金黄色的粉末。(2)静置发泡：将上述粉末置于模具中，于150℃发泡2h。(3)静置固化：采用200℃/1h；250℃/1h进行固化；冷却脱模后得到双酚A型含苯并噁嗪环的腈基树脂泡沫。
实施例1
双酚A型含苯并噁嗪环的腈基树脂三明治结构泡沫：(1)混合烘干：于室温下，将吐温-80(2.5g)加入到去离子水(20g)中，再加入偶氮二甲酰胺(0.25g)和双酚A型含苯并噁嗪环的腈基树脂(22.5g)，在机械搅拌(200r/min)和超声(100W)情况下混合30min，得到粘稠液体，然后转移至表面皿，于80℃/12h进行烘干，得到金黄色的粉末。(2)翻转发泡：将上述粉末置于模具中，于150℃发泡2h，在发泡的过程中，每间隔2min上下翻转模具1次。(3)静置固化：采用200℃/1h；250℃/1h进行固化；冷却脱模后得到双酚A型含苯并噁嗪环的腈基树脂三明治结构泡沫。
实施例2
双酚A型含苯并噁嗪环的腈基树脂三明治结构泡沫：(1)混合烘干：于室温下，将吐温-60(0.2g)加入到去离子水/乙醇(5g/5g)中，再加入偶氮二甲酰胺(0.1g)和双酚A型含苯并噁嗪环的腈基树脂(9.8g)，置于球磨罐中研磨混合8h，得到类膏状液体，然后转移至表面皿，于60℃/12h进行烘干，得到金黄色的粉末。(2)翻转发泡：将上述粉末置于圆柱形模具中，于200℃发泡0.5h，在发泡的过程中，每间隔3min翻转模具1次。(3)静置固化：采用240℃/1h进行固化；冷却脱模后得到双酚A型含苯并噁嗪环的腈基树脂三明治结构泡沫。
实施例3
双酚A型含苯并噁嗪环的腈基树脂三明治结构泡沫：(1)混合烘干：于室温下，将吐温-40(1.2g)加入到去离子水(20g)中，再加入偶氮二甲酰胺(1.0g)和双酚A型含苯并噁嗪环的腈基树脂(18.8g)，在球磨8h进行混合，得到粘稠液体，然后转移至表面皿，于80℃/12h进行烘干，得到金黄色的粉末。(2)翻转发泡：将上述粉末置于模具中，于140℃发泡6h，在发泡的过程中，每间隔3min上下翻转模具1次。(3)静置固化：采用200℃/1h；250℃/1h；300℃/1h进行固化；冷却脱模后得到双酚A型含苯并噁嗪环的腈基树脂三明治结构泡沫。
实施例4
联苯型含苯并噁嗪环的腈基树脂三明治结构泡沫：(1)混合烘干：于室温下，将吐温-80(2.0g)加入到丙酮/乙醇(10/10g)中，再加入偶氮二甲酰胺(0.25g)和联苯型含苯并噁嗪环的腈基树脂(23.0g)，在机械搅拌(300r/min)和超声(50W)情况下混合30min，得到粘稠液体，然后转移至表面皿，于80℃/10h进行烘干，得到金黄色的粉末。(2)翻转发泡：将上述粉末置于模具中，于200℃发泡2h，在发泡的过程中，每间隔2min上下翻转模具1次。(3)静置固化：采用240℃/1h；290℃/6h；340℃/1h；进行固化；冷却脱模后得到联苯型含苯并噁嗪环的腈基树脂三明治结构泡沫。
实施例5
双酚A型含苯并噁嗪环的腈基树脂三明治结构泡沫：(1)混合烘干：于室温下，将吐温-80(2.5g)加入到去离子水/丙酮(10/10g)中，再加入偶氮二甲酰胺(0.5g)和双酚A型含苯并噁嗪环的腈基树脂(22.5g)，在机械搅拌(500r/min)情况下混合30min，得到粘稠液体，然后转移至表面皿，于80℃/12h进行烘干，得到金黄色的粉末。(2)翻转发泡：将上述粉末置于模具中，于150℃发泡2h，在发泡的过程中，每间隔2min上下翻转模具1次。(3)静置固化：采用200℃/6h进行固化；冷却脱模后得到双酚A型含苯并噁嗪环的腈基树脂三明治结构泡沫。
图1为对比例3-6和发明实施例1的实物图对比，由图可知，对比例3-5虽均采用了翻转发泡工艺，但对比例3无发泡剂，对比例4无稳定剂，对比例5采用氨基偶氮苯发泡剂，均难以得到完整的三明治结构样品。对比例6采用常规静置发泡工艺得到的泡沫为非三明治结构，主要是由于发泡剂产生的气体，随着气体飘逸和树脂熔体沉降的相互作用，模具下部泡沫致密，上部泡沫稀疏，树脂从模具逸出；而实施例1采用翻转发泡工艺，气体鼓动树脂熔体贴合模具，熔体在模具内均匀分布，固化形成三明治结构。
图2为对比例6(左图)和发明实施例1(右图)的扫描电镜图对比。由图可知，对比例6泡孔不均匀，实施例1泡孔形貌规整。
图3为对比例6(左图)和发明实施例1(右图)的粒径分布对比；由图可知，对比例6泡孔不均匀，孔径范围为0.4-1.3mm，跨度为0.8mm，且在1.1mm左右出现断层；而实施例1泡孔均匀，孔径范围为0.3-0.9mm，跨度更窄，为0.6mm，且无孔径断层。
图4为对比例6(左图)和发明实施例1(右图)的应力-应变曲线对比；由图可知，对比例6最大断裂应力约为2MPa；而实施例1最大断裂应力约为20MPa。
图5为发明实施例2的实物图(圆柱体)。由图可知，所得圆柱体外面表层致密无孔，而内部富含多孔结构，说明采用本发明的技术方案，可以一体化制备不同尺寸形状的三明治结构的泡沫。
表1本专利实施例的主要性能
Figure BDA0003343630430000071
Figure BDA0003343630430000081
备注：—a为文献未报到；—b为样品不完整，无法测试或测试无意义。
由表可知：(1)与对比例1-6中的非三明治结构的泡沫相比，采用本发明的三明治泡沫力学性能优异，压缩强度和比强度更优，得益于三明治结构外表面的致密结构，提高了力学性能。(2)与对比例1的苯并噁嗪泡沫相比，本发明中含苯并噁嗪环的腈基树脂泡沫分解5％的温度更高，残炭率更大，综合耐温性更佳，主要是由于刚性腈基结构提高了耐温性能。(3)本发明可通过含苯并噁嗪环的腈基树脂、发泡剂和稳定剂的种类含量来调节三明治泡沫的性能，能够满足不同条件下的性能需求。

Claims (9)

1.一种苯并噁嗪腈基树脂三明治结构泡沫的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
混合烘干：室温下，将泡沫稳定剂、分散介质、发泡剂和苯并噁嗪腈基树脂充分混合，然后烘干，得到混合烘干粉末；
翻转发泡：将上述粉末置于可翻转模具中，140-200℃发泡0.5-6 h，在发泡的过程中，每间隔1-3 min翻转模具1次；
固化脱模：采用200-340 ℃下固化1-18h；冷却脱模后得到苯并噁嗪腈基树脂三明治结构泡沫；
所述发泡剂为偶氮二甲酰胺。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，苯并噁嗪腈基树脂为90-95份，发泡剂为1-5份，泡沫稳定剂为5-10份。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述苯并噁嗪腈基树脂为具有对称结构的苯并噁嗪腈基树脂。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述苯并噁嗪腈基树脂选自邻苯二酚型、间苯二酚型、对苯二酚型、双酚A型、双酚S型、双酚P型、双酚F型、联苯二酚型含苯并噁嗪环的腈基树脂中的任一种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述泡沫稳定剂选自吐温-80、吐温-60、吐温-40中的任一种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述分散介质选自乙醇、水、丙酮中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中烘干温度控制在80℃以下。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中固化采用200-240℃/1-6h；250-290℃/1-6h；300-340℃/1-6h的一段或者几段进行固化。
9.一种苯并噁嗪腈基树脂三明治结构泡沫，其特征在于，它采用如权利要求1-8任一项所述方法制得。
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