乙烯焦油基COPNA树脂及其复合材料的制备和性能研究

摘要

乙烯焦油是乙烯生产过程中的一种副产物,目前主要作为燃料使用,热值低且污染环境。乙烯焦油富含无侧链或短侧链的多环芳烃,具有空间位阻小,反应性能好的优点,从理论上讲,乙烯焦油是制备COPNA(condensed poly-nucleararomatic)树脂的优质原料。
　　 本文以乙烯焦油为原料,采用蒸馏对其馏程进行切割,得到不同温度段馏分油。考察了乙烯焦油及其馏分油(＞250℃和＞300℃)的各种理化性质,采用改进的Brown-Ladner法计算分子结构参数,推算出可能的平均分子结构,解析了原料处理前后分子组成及结构的变化。分别以对苯二甲醇、三聚甲醛、苯甲醛为交联剂,在对甲苯磺酸的催化作用下合成COPNA树脂,通过对其软化点、残炭值及β树脂含量等参数的测试,考察了COPNA树脂的性能,探讨了不同原料和交联剂对树脂结构的影响。借助FT-IR、1H-NMR、SEM和TG分析,研究并阐明了COPNA树脂的合成机理。在COPNA树脂的制备过程中加入适量的氧化石墨(GO)对其进行改性,考察了所得树脂的基本性质,并初步探讨了相关作用机制。将树脂与石墨混合制备复合材料,考察其耐热性和硬度,分析了复合工艺参数对所得材料性能的影响。
　　 结果表明,不同原料、不同交联剂合成的COPNA树脂的耐热性和粘结性不同。以乙烯焦油为原料,对苯二甲醇为交联剂时,COPNA树脂的残炭值为33.59％,β树脂含量为11.82％;以馏分油(＞250℃)为原料,三聚甲醛为交联剂时,COPNA树脂的残炭值为40.25％,β树脂含量为15.57％。以乙烯焦油为原料,加入氧化石墨改性后,产物的残炭值为34.21％,β树脂含量为21.60％,400℃以上的耐热性显著提高。COPNA树脂的制备反应机理为酸催化下阳离子型缩合反应。乙烯焦油基COPNA树脂/石墨复合材料制备的最佳工艺条件:取小于200目的树脂与石墨的混合物进行热压成型,成型温度为100℃,成型压力30 Mpa,保压时间为10 min,焙烧温度300℃,此条件下制备的复合材料耐热性和硬度较好。