利用点击化学反应制备可逆共价交联增韧环氧树脂材料及其性能研究

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传统热固性环氧树脂由于其优异的产品性能被广泛应用于涂料、电子电气、轻工建材、机械制造、航天航空、绝缘材料及先进复合材料等领域,然而不可逆的交联网络结构使得环氧树脂难溶于溶剂或熔融进行二次加工,造成资源使用效率低下和一定程度上的浪费。同时,环氧树脂内部结构中高交联密度致使其内应力较大;内在固有的质脆力学性能、较差的耐冲击性和较低的外力承载负荷在一定程度上限制了其的应用。因此,本文发挥点击化学反应速度快且选择性高的优势,利用多次点击化学反应,采用Diels-Alder反应中的呋喃/马来酰亚胺作为可逆交联官能团,实现环氧树脂的重复加工应用;并通过引入柔性环氧树脂,对环氧树脂进行增韧改性。首先,本文制备了扩链柔性环氧树脂聚丙二醇二缩水甘油醚LPPGDGE,采用盐酸-丙酮滴定、红外测试和核磁测试对其反应程度和结构进行了分析。然后以此为原料,调节柔性环氧树脂LPPGDGE与刚性环氧树脂EPN的用量,固定呋喃基团与马来酰亚胺基团摩尔比例为1:1,通过热可逆Diels-Alder反应制备可逆交联增韧环氧树脂材料。接着,利用红外测试、溶胀溶解性能测试、DSC测试和流变测试证明交联增韧环氧树脂的热可逆性质。利用拉伸、抗冲和TGA分析交联增韧环氧树脂的力学性能及热稳定性,探究了固化温度和交联密度对材料性能的影响。研究发现,在DA成键温度附近固化有利于样品力学性能的提升,其凝胶率会增加,溶胀程度减小。调节柔性环氧树脂LPPGDGE与刚性环氧树脂EPN的用量比例即可制得多种力学性能的热可逆交联环氧树脂LPPGDGE/EPN-DA。交联网络中密度增加,可提升材料的拉伸强度和拉伸模量,断裂伸长率则会减小。改性后的增韧环氧树脂较酚醛环氧树脂交联体系,抗冲强度最高可提升68%。其次,选用原料聚乙二醇二缩水甘油醚PEGDGE,制备了扩链柔性环氧树脂LPEGDGE,以此为原料,调节柔性环氧树脂(L)PEGDGE与刚性环氧树脂EPN的用量,固定呋喃基团与马来酰亚胺基团摩尔比例为1:1,通过热可逆Diels-Alder反应制备可逆交联增韧环氧树脂材料,从而实现材料的重复加工。随后,利用红外测试、溶胀溶解性能测试、DSC测试和流变测试证明交联增韧环氧树脂的热可逆性质。利用拉伸、抗冲和TGA分析交联增韧环氧树脂的力学性能和热稳定性,探究了固化温度、交联密度和交联网络结构对材料性能的影响。研究发现,通过上述方法可以制备具有热可逆交联性质的环氧树脂LPEGDGE/EPN-DA。调节柔性环氧树脂LPEGDGE与刚性环氧树脂EPN的用量比例同样可以制得具有多种力学性能的环氧材料。交联密度会对材料的力学性能产生影响,当其增大时,材料所表现出的拉伸强度和拉伸模量也相继增大,断裂伸长率则逐渐减小。同一交联密度下不同组成的样品,刚性环氧树脂增多,可得更高的拉伸模量和拉伸强度;侧链不具有甲基的柔性链分子具有更大的断裂伸长率;对于同一样品,于70℃固化可以达到最佳的力学性能。改性后的增韧环氧树脂较酚醛环氧树脂交联体系,抗冲强度最高可提升151%。
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