高性能苯丙树脂的制备及应用研究

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苯乙烯-丙烯酸酯树脂(SA)是一种商业化的多功能树脂材料,具有良好的附着力、耐污染性、耐擦洗性、变形适应性和低生产成本等优点,如今广泛应用于航空、建筑、能源和电子等领域。但传统的SA材料仍然有许多缺陷,如力学性能差、高吸水率、缺乏自修复性和耐疲劳性等,因此提出有效的改性方法是亟待解决的问题。本文通过将具有功能性官能团的单体引入到SA体系中,制备了由功能性单体改性的苯丙树脂材料,并着重研究了这些单体对其热力学性能、抗疲劳性能、自愈性能和应用方面的影响。具体工作如下:1.以苯乙烯(St)、丙烯酸丁酯(BA)、丙烯酰胺(AM)和甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)为原料,通过半连续性种子乳液聚合制备了不同GMA含量的SA胶乳。TGA结果表明,GMA的引入提高了SA的热稳定性。邵氏硬度测试表明,GMA用量的增多显著增加了其硬度,达到了76 A。吸水率实验表明,GMA的加入,增大了交联程度,从而降低了吸水率。2.以苯乙烯(St)、丙烯酸丁酯(BA)、丙烯酰胺(AM)、甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)、衣康酸二乙酯(DEI)和甲基丙烯酸异冰片酯(IBOMA)为反应单体,通过半连续性种子乳液聚合分别制备了DEI和IBOMA改性的SAD和SAD4I树脂。FT-IR结果显示,DEI和IBOMA两种单体都分别成功引入到了SAD和SAD4I主链中。SAD和SAD4I树脂的力学性能测试表明,DEI的加入提高了不同DEI含量的SAD聚合物链中酯基的含量,酯基的增塑作用使SAD树脂的拉伸强度从12.6 MPa增加到20.4 MPa,杨氏模量从3.81 MPa增加至26.57 MPa,硬度提高到了83.6 A,但断裂伸长率降低到了1405%。IBOMA单体中庞大而又呈现刚性的异冰片基,影响了SAD4I链的运动,拉伸强度和断裂伸长率分别下降至19.2 MPa和1228%,但是其杨氏模量提高到了66.8 MPa,硬度增加到89.6 A。TGA和DSC表明,DEI对SAD树脂的热稳定性不会产生影响,但聚合物链上酯基的存在降低了玻璃化转变温度(Tg),IBOMA的加入降低了SAD4I树脂的热稳定性但增加了其Tg。吸水率实验表明,SAD和SAD4I树脂具有较低的吸水率,表明了DEI和IBOMA均可以提高树脂的耐水性。抗菌测试结果说明,SAD4I聚合物主链上引入了异冰片基侧基,通过聚合物表面立体化学作用降低了细菌的粘附性,并且对大肠杆菌(革兰氏阴性)表现出了86%的抑菌效率,表明了IBOMA单体具有独特的抗菌粘附性能。3.以苯乙烯(St)、丙烯酸丁酯(BA)、甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)和丙烯酰胺(AM)为单体,通过半连续性种子乳液聚合制备了SA胶乳。将羧甲基壳聚糖(CMCS)水溶液与SA胶乳混合制备了CMCS复合的SACS树脂。将碳纳米管水分散液(CNTs)喷涂在SACS树脂表面,经喷涂五次后得到SACS导电树脂薄膜,着重研究了SACS树脂的力学性能、热稳定性、抗疲劳性、自修复性和导电性。由于SA聚合物链与CMCS之间可逆氢键的形成以及CMCS在SA中形成的刚性框架使SACS树脂的拉伸强度达到17.9 MPa,断裂伸长率高达2148%,与未添加CMCS的SA薄膜相比有较大提升。CMCS有效增加了SACS树脂的硬度,邵氏硬度增加到了80.6 A,可以作为一种高硬度的树脂材料使用。循环拉伸测试结果表明,SACS树脂表现出了抗疲劳性和热修复能力。自修复测试表明,在复合CMCS之后,由于CMCS和SA分子链之间形成的多型氢键相互作用赋予了SACS树脂一定的自修复性能,修复效率为68.7%。TGA和DSC结果显示,CMCS的引入增加了SACS树脂的热稳定性,降低了Tg,Tg从16.2°C降低到13.1°C。电化学测试表明,CNTs在SACS导电树脂薄膜表面形成导电网络,电导率随着CNTs层数的增多逐渐变大。另外,SACS导电树脂薄膜可以感知微小运动变化(例如微笑、握拳等)产生的电流信号,说明SACS导电树脂薄膜在传感器方面有潜在的应用价值。
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