有机硅改性硼酚醛树脂的制备及相容性研究

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酚醛树脂由于具有较好的耐烧蚀性、较好的工艺性和低廉的价格等优点,成为应用最为广泛的烧蚀型材料。然而,传统以酚醛为基体的烧蚀材料已不能满足日益发展的工业的要求。本课题使用具有高键能Si-O-Si的有机硅对酚醛树脂进行改性,针对二者共混时较差相容性以及不匹配固化温度导致共固化时相分离的问题,使用两种方法改善有机硅改性酚醛树脂相容性。针对硅树脂与酚醛相容性较差的问题,合成与硅树脂在共溶剂下可以混溶的低粘度苯基硼酸改性酚醛树脂。以苯酚和甲醛为原料,采用福尔马林溶液法对苯硼酸改性酚醛进行合成。同时通过苯酚、甲醛和氨丙基甲基二甲氧基硅烷的Mannich反应制备含硅苯并噁嗪,采用红外光谱、X射线光电子能谱以及氢核磁对酚醛与含硅苯并噁嗪单体进行结构表征;通过热失重分析(TGA)对苯基硼酚醛的热性能进行表征,结果表明当苯硼酸用量为苯酚的10.00 wt.%时,1000℃Ar气氛的残重为66.82 wt.%,二官能度的苯硼酸的引入降低了酚醛的粘度,同时硼酯键的引入与碳含量的提高改善了酚醛的耐烧蚀性能。此外,通过硅烷的共水解缩聚过程,调节用水量合成酚醛树脂改性用硅树脂预聚物,对其结构进行表征,并将合成的硅树脂用于酚醛改性。为了解决有机硅及酚醛树脂在共固化时的相分离问题,首先通过含硅苯并噁嗪与聚硅氮烷对有机硅改性酚醛进行增容,并结合扫描电子显微镜和TGA研究苯并噁嗪对有机硅改性酚醛的增容效果及其热性能,在固化时苯并噁嗪基与酚醛发生化学键接,硅烷氧基与硅树脂组份发生化学键接,增加酚醛与硅树脂间的相容性,同时高键能Si-O-Si键的引入使酚醛热性能得到提高,1000℃氩气及空气气氛下残炭率分别为72.73 wt.%和57.82 wt.%。其次,利用硼原子的缺电子特性,加入硅胺与硼酚醛形成硼氮配位,在酚醛分子链中引入硅烷氧基。由于硅胺与酚醛间硼氮配位作用相较苯并噁嗪基与酚醛间范德华力更强,赋予硼氮配位体系更好的相容性,相畴尺寸降低至20 nm,1000℃下空气与氮气气氛的残重分别高达65.49 wt.%和77.15 wt.%,硅树脂在高温下形成的SiO2包裹在酚醛表面,使酚醛降解机理由热氧降解转变为热解,空气气氛残重得到极大提高。本论文制备的有机硅改性酚醛具有优异的相容性与耐热性,拓展了酚醛的使用范围,为对有机硅改性酚醛树脂体系的构筑具有重要的借鉴意义。
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