新型热固性高性能材料的设计、合成及其性能研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hu_20092009
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随着航空航天以及微电子领域的快速发展,高性能高分子材料受到人们的广泛关注。传统的高性能材料尽管具有高强度、高模量、优异的热稳定性能以及绝缘性能等特点,但是材料较差的加工性能限制了材料的应用。因此,平衡材料的理化性能和加工性能之间的矛盾成为高性能材料领域急需解决的问题。本论文基于以上事实,设计合成几种可热交联的前驱体,后固化聚合得到几种新型的热固性高性能材料,成功地解决了材料的理化性能与加工性能之间的矛盾,满足航空航天以及微电子领域的要求。并且鉴于目前绝大多数材料来源于石油资源,本论文也进行了以生物质为原料合成高性能材料的尝试。工作主要分为两部分:  第一部分含六氟环丁烷结构的苯并环丁烯树脂的合成与性能研究  以化石原料为基础,通过简单的四步反应,合成了两种含全氟环丁基醚结构的苯并环丁烯单体M1和M2,在加热条件下进一步固化得到不溶不熔的苯并环丁烯树脂。结果显示:一方面,材料具有优异的介电性能,在0.1-30MHz范围内材料的介电常数小于2.40;另一方面,材料具有优异的疏水性,在沸水条件下浸泡96h,材料的吸水率分别为0.31%和0.11%。数据结果表明材料具有优异的介电性能和疏水性能。  第二部分基于生物质大茴香脑的热固性高性能材料的合成与性能研究  (1)以三氟甲磺酸作为引发剂,以大茴香脑为原料,通过四步反应得到侧链含三氟乙烯基醚的齐聚物P4,加热固化得到交联网状结构。结果显示:在沸水中浸泡96小时后,材料的吸水率仅为0.24%,并且随着时间的延长吸水率保持不变。在频率为1-30MHz范围内,材料的介电常数低于2.64,且伴随着介电损耗低于1×10-2。TGA结果显示5%热失重温度为400℃(氮气氛围下),DMA结果显示材料的玻璃化转变温度Tg为160℃。纳米压痕结果显示材料的硬度为0.24GPa,杨氏模量为6.11GPa。结果表明材料具有低的吸水率、低的介电常数以及高的热稳定性等优点,能够与一些商业化的高性能材料相比拟。  (2)在前面工作的基础上,我们发现大茴香脑的丙烯基双键在阳离子引发剂条件下聚合得到分子量仅为1800的齐聚物。因此在这一章中我们期望合成具有高分子量的可热交联的聚合物前驱体。以大茴香脑为原料,通过四步简单的合成得到了含有乙烯基以及苯并环丁烯基的目标单体,通过自由基聚合的方式得到分子量约77万的侧链含有可热固化的苯并环丁烯基团的聚合物,进一步热聚合得到交联网状结构。结果显示:热固性材料的介电常数在频率为1-30MHz范围内均低于2.90,且在沸水中浸泡96小时后吸水率为0.40%。TGA以及TMA结果显示材料的5%热失重温度为432℃(氮气氛围下),玻璃化转变温度Tg为369℃。纳米压痕结果显示材料的硬度为0.87GPa,杨氏模量为11.40GPa。TMA结果显示:温度为50-300℃范围内,材料的热膨胀系数仅为41.24ppm/℃。所有结果均表明:将生物质大茴香脑通过简单的转换得到了高的热稳定性、高的玻璃化转变温度、低的热膨胀系数的高性能聚合物材料。  (3)在前面两份工作的基础上,我们发现大茴香脑的丙烯基双键在自由基引发剂条件下不能有效地聚合。因此在这一章中,以大茴香脑为原料,通过两步反应合成既含有丙烯基又含有丙烯酸酯双键的新目标单体M4,并将其与丙烯酸甲酯自由基共聚得到一系列热固性材料。结果显示:随着目标单体含量的增加,材料的热稳定性能和机械性能逐渐升高。当丙烯酸甲酯与目标单体的摩尔比为2∶1时,材料具有优异的综合性能。TGA和UV-vis-NIR结果显示材料的5%热失重温度高达398℃,在波长为450nm时,材料的透光率高达92%,硬度测试结果显示材料的硬度可以高达121。所有结果表明,材料具有优异的热稳定性能的同时,也具有非常好的光学性能,并且材料具有非常好的耐磨性能,在光学领域具有潜在的应用价值。
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