环氧/氰酸酯/聚醚酮半互穿网络聚合物的结构与性能

摘要

本文采用酚酞基聚醚酮(PEK-C)与环氧树脂(EP)加热共混的方法，以氰酸酯树脂(CE)为固化剂，制备出具有半互穿结构(semi-IPN)的聚合物。本文系统地研究了此共混体系的固化反应动力学、固化物的结构特征、力学性能、耐热性能、微观形貌及增韧机理。 应用差示扫描量热仪(DSC)采用升温扫描法确定了共混树脂体系的固化工艺，分析了PEK-C含量对树脂体系反应活性的影响并拟定出不同树脂体系的动力学方程。结果表明，此树脂体系的固化工艺为：1.50℃/4h+200℃/2h+230℃/4h，在此工艺下所有树脂体系均可达到最大反应程度；PEK-C能促进CE的自聚、降低环氧基与三嗪环的反应活性，在150℃和200℃下随着PEK-C的含量从0wt％增加到15wt％，树脂体系的凝胶时间分别从4320s和690s缩短到1920s和208s，固化体系的表观反应活化能从77kJ/mol增加到85kJ/mol；所有树脂体系的表观反应级数均保持在0.9左右，PEK-C并没有改变树脂体系的固化反应机理，在达到最大反应速度之前理论反应速度高于实际反应速度，达到最大反应速度之后理论反应速度与实际反应速度基本一致。 采用傅利叶转换红外光谱仪(FTIR)分别对凝胶态树脂和固化态树脂的结构进行了分析，计算了反应基团的转化率，同时利用动态力学分析仪(DMA)研究了固化后树脂的交联密度。结果表明，当树脂达到凝胶时，体系的结构主要以氰酸酯自聚生成的二聚体和三嗪环为主，当PEK-C含量从0wt％增加到15wt％时，氰酸酯基的转化率从0.58降低到0.45，三嗪环的生成率均达到0.7左右；当树脂固化后，体系的结构主要以氰酸酯生成的三嗪环和环氧基生成的聚醚结构为主，当PEK-C含量从0wt％增加到15wt％时，三嗪环的剩余率从0.23提高到了0.55，环氧基基本反应完全，其更多的形成了聚醚结构；随着PEK-C含量的增加，固化物的交联密度有一定程度的降低，交联点间的分子量与PEK-C百分含量呈Mc=10.2T+324.5的线性关系。 应用材料万能试验机以三点弯曲法测定了固化物的断裂韧性(KIC值和GIC值)，弯曲模量和弯曲强度等力学性能。结果表明，当PEK-C含量从0wt％增加到15wt％时固化物的断裂韧性(KIC值和GIC值)分别从0.99 MPa·m1/2和280KJ·m2增加到1.23 MPa·m1/2和443KJ·m2，当PEK-C含量为15wt％时断裂韧性达到最大值，其与未改性体系相比分别增加了20％和58％；随着PEK-C含量的增加，材料的弯曲强度从117MPa增加到123MPa而后又降低到了113MPa：材料的弯曲模量基本保持在2.90GPa。 分别利用热变形温度测试仪、动态力学分析仪(DMA)、热失重分析仪(TGA)测定了固化物的热变形温度(HDT)、玻璃化转变温度(Tg)及相形态和热稳定性。结果表明，随着PEK-C含量从0wt％增加15wt％，固化物的HDT从203℃增加到了207℃而后又降低到204℃；Tg从232℃增加到了234℃而后又降低到231℃，共混树脂体系是一种单相的半互穿结构；随着PEK-C含量的增加，材料的起始分解温度(IDT)和分解活化能(Et)分别从360℃和174KJ/mol降低到353℃和154KJ/mol，质量损失速度最大时的温度(Tmax)则基本保持在400℃左右，固化物的热稳定性略微降低。通过电子扫描电镜(SEM)观察了固化物的断面形貌，分析了此半互穿体系的增韧机理。结果表明：随着PEK-C含量的增加，材料的断面愈趋粗糙，呈现出韧性断裂特征；当PEK-C含量为5wt％-10wt％时，增韧机理主要是热塑性粒子诱发基体产生屈服，当PEK-C含量为15wt％时，增韧机理为热塑性粒子诱发基体产生屈服和未成形网络结构的链段和端基诱发基体产生塑性变形两者的共同作用，此时后者对材料韧性的提高占主导作用。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1选题的背景与意义

1.2互穿网络聚合物的概念

1.3互穿网络的制备

1.4国内外对互穿网络体系的研究

1.4.1环氧树脂互穿网络聚合物体系

1.4.2氰酸酯树脂互穿网络体系

1.4.3氰酸酯/环氧树脂互穿网络

1.5互穿网络聚合物的表征方法

1.5.1宽带介电松弛谱(DRS)

1.5.2荧光光谱

1.5.3原子力显微镜(AFM)

1.5.4 X-射线衍射

1.5.5其它常用表征方法

1.6增韧机理

1.7本文的主要研究内容

2实验部分

2.1实验原料

2.2实验仪器

2.3试样制备

2.4性能的表征

2.4.1 DSC测试

2.4.2 FTIR测试

2.4.3断裂韧性的测试

2.4.4弯曲模量及弯曲强度的测试

2.4.5动态力学分析测试

2.4.6热变形测试

2.4.7热失重分析

2.4.8断面形貌的观测

2.4.9凝胶时间的测定

3结果与讨论

3.1 PEK-C对固化反应的影响

3.1.1固化工艺的确定

3.1.2 PEK-C含量对固化反应活性的影响

3.1.3动力学方程的建立

3.2 PEK-C对固化物结构的影响

3.2.1 PEK-C含量对凝胶点时树脂结构的影响

3.2.2 PEK-C含量对固化后树脂结构的影响

3.2.3 PEK-C对材料交联密度的影响

3.3 PEK-C对材料性能的影响

3.3.1材料的断裂韧性

3.1.2材料的力学性能

3.3.3材料的耐热性能

3.4材料的微观形貌及增韧机理

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢