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中科院寧波材料所宋育杰副研究員和哈工大劉明教授《Polym. Chem.》：寬溫域力學穩(wěn)定性鄰苯二甲腈樹脂

2023-04-25 來源：高分子科技

鄰苯二甲腈樹脂玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在350 ℃以上，具有極低的吸水率和優(yōu)異的力學強度，在航空航天、電子封裝和軌道交通等軍、民領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是面向極端環(huán)境應(yīng)用的高性能高分子材料之一。但目前為止的鄰苯二甲腈樹脂普遍存在單體的熔點過高(>200 ℃)、加工窗口過窄和樹脂的高溫力學性能不佳等缺點，限制了其加工與應(yīng)用。

為了設(shè)計出耐溫性能更好的樹脂，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所先進能源材料工程實驗室和哈爾濱工業(yè)大學化工學院通過引入硼原子制備了兩種改性鄰苯二甲腈樹脂c-BPN和c-PBPN(如圖1所示)。

硼改性鄰苯二甲腈單體BPN和PBPN具有熔點低、溶解性好和可自催化的優(yōu)點，有效的提高了加工性能(如圖2所示)。固化后的樹脂c-BPN和c-PBPN具有優(yōu)異的熱氧穩(wěn)定性(如圖3,(a)所示)，硼元素明顯的缺電子特征，在高溫下從相鄰的C原子吸引電子，使無定形的碳轉(zhuǎn)化為有序的石墨碳結(jié)構(gòu)，從而提高了樹脂的殘?zhí)柯省ｋS著B-O鍵的加入c-BPN和c-PBPN熱釋放能力減弱(如圖3, (b)所示)，同時硼元素在高溫下形成氧化硼薄膜，隔絕氧氣，阻止燃燒進一步傳播，進而提高樹脂的耐燒蝕性能。剛性的硼酸酯結(jié)構(gòu)顯著的提高了鄰苯二甲腈樹脂的儲能模量和硬度，在400 ℃的高溫下，c-BPN和c-PBPN的儲能模量分別達到1.54 GPa和1.81 GPa(如圖3, (c)所示)，具有較高的機械強度和明顯的寬溫域優(yōu)勢。另外，在400 ℃仍未出現(xiàn)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，聚合物分子鏈在高溫下未引起鏈段滑移，具有穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖1 c-BPN和c-PBPN聚合物結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 單體RPN、BPN和PBPN的DSC曲線圖

圖3 c-RPN、c-BPN和c-PBPN：(a) 在空氣氛圍下熱失重曲線圖； (b) 熱釋放速率曲線圖；(c) 儲能模量曲線圖

以上研究工作近期以“High-Performance Boron-containing Phthalonitrile Resins”為題，發(fā)表在Polymer Chemistry上。該研究工作第一作者為中科大碩士生孔文靜，通訊作者為寧波材料所宋育杰副研究員和哈工大化工學院劉明教授，得到了國家自然科學基金(No. 52203019)，寧波3315計劃(2018A-03-A)，廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金(2022A1515110919)，大學基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(AUGA2160100119)和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(LH2021E055)的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D3PY00070B

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（責任編輯：xu）

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