張鴻翔, 王 帆, 朱亞平, 齊會民
(華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,特種功能高分子材料及其相關(guān)技術(shù)教育部重點實驗室,上海 200237)
含硅芳炔樹脂(PSA)是一類主鏈含有―Si―C≡C―Ar―結(jié)構(gòu)的有機/無機雜化聚合物,具有優(yōu)良的工藝性能、耐熱性能和介電性能[1,2],可用作耐高溫材料、透波材料[3,4],在航空航天及軍工領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[5]。國內(nèi)外學(xué)者對PSA的反應(yīng)機理、合成及性能進行了深入研究[6,7],但PSA固化后交聯(lián)密度過高,導(dǎo)致樹脂脆性大,因此對PSA進行共混改性,提高其韌性和力學(xué)性能[8-10],就成了亟待解決的問題。馬峰嶺等[11]利用雙叔丁基過氧化二異丙基苯(BIBP)作促進劑,將丁苯樹脂(SBR)和PSA共混,當(dāng)w(SBR)增加到40%時,改性后的PSA彎曲強度和彎曲模量分別增加了93%和173%。韓夢娜等[12]合成了乙炔基封端液晶(MPBE),將其和PSA共混得到改性PSA,通過掃描電鏡分析觀察到MPBE的加入使樹脂在固化過程中產(chǎn)生介晶域,當(dāng)受到外力作用時介晶域可以作為應(yīng)力集中區(qū)起到分散應(yīng)力的作用,從而改善PSA的韌性。
苯并噁嗪樹脂通過開環(huán)聚合交聯(lián)固化,其固化過程無小分子釋放,孔隙率低且體積收縮率很小,固化物具有良好的耐熱性、阻燃性和介電性,可將苯并噁嗪樹脂與PSA共混進行改性。童旸等[13]合成了含氰基和乙炔基的苯并噁嗪(CPh-apa),將其和PSA共混制備改性樹脂,并用其制備的碳纖維布增強改性樹脂基復(fù)合材料的彎曲強度和層間剪切強度分別提高了22.3%和24.0%,但耐熱性能和介電性能均有所下降。當(dāng)w(CPhapa)=10%時,改性樹脂的介電常數(shù)較PSA的相應(yīng)值增加了0.2。杜峰可等[14]將雙酚A型氰酸酯(BADCy)和含炔丙氧基苯并噁嗪(P-appe)與PSA進行共混得到三元體系(PPB),改性樹脂的彎曲強度提高了115%,但其在氮氣氣氛下質(zhì)量損失5%時的溫度(Td5)從618 ℃下降到491 ℃。黃發(fā)榮課題組[15,16]合成了一系列苯并噁嗪樹脂,將其與PSA共混,改性樹脂的力學(xué)性能普遍提升較大,但苯并噁嗪改性對PSA的耐熱性能和介電性能均有明顯影響。
含氟聚合物具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性以及較低的介電常數(shù)[17],因此將含氟基團引入苯并噁嗪樹脂中既可以保持苯并噁嗪原有的優(yōu)良性能,又能提高其耐熱與介電性能。武俊輝[18]合成了一種含有碘代全氟烷基的新型含氟苯并噁嗪(BOZF),與普通不含氟基團的苯并噁嗪相比具有更好的熱穩(wěn)定性和殘?zhí)柯?。本文合成了一系列帶有活性基團的含氟苯并噁嗪,并將其與PSA進行共混改性。對BOZF/PSA改性樹脂的工藝性能,以及澆鑄體的耐熱性能、介電性能和力學(xué)性能等進行了研究,以揭示不同結(jié)構(gòu)及質(zhì)量分數(shù)的含氟苯并噁嗪對BOZF/PSA性能的影響規(guī)律。
PSA:實驗室自制[3],以二乙炔基苯和二氯硅烷為原料,室溫下為棕褐色黏稠液體;BOZF:實驗室自制[19],以烯丙胺、間乙炔基苯胺、炔丙胺作為胺源,與雙酚AF、多聚甲醛反應(yīng)合成,室溫下為棕黃色黏稠液體。甲苯(TL):分析純,國藥集團化學(xué)試劑有限公司。烯丙基含氟苯并噁嗪(BOZF-1)、苯乙炔基含氟苯并噁嗪(BOZF-2)和炔丙基含氟苯并噁嗪(BOZF-3)的合成路線如圖1所示。
圖1 BOZF的合成路線Fig. 1 Synthesis routes of BOZF
紅外光譜(FT-IR):采用美國 Nicolet公司6700型傅里葉變換紅外光譜儀,波長范圍4 000~400 cm?1,分辨率為0.09 cm?1,掃描次數(shù)為8次,采用涂膜制樣。
核磁共振氫譜(1H-NMR):采用Bruker ADVANCE 400 MHz核磁共振譜儀,以CDCl3為溶劑,以四甲基硅烷為內(nèi)標(biāo)。
差示掃描量熱(DSC):采用美國TA公司Q2000型差示掃描量熱儀,在N2氣氛下進行測試,升溫速率為10 ℃/min,溫度范圍由室溫到300 ℃。
動態(tài)熱機械分析(DMA):采用瑞士METTLER TOLEDO DMA1型測試儀,以3點彎曲模式測試樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg),樣條尺寸為45 mm×8.5 mm×2.5 mm,升溫速率為5 ℃/min,溫度范圍為50~450 ℃。
熱失重分析(TGA):采用美國TA公司SDT Q600型熱失重分析儀進行測試,升溫速率為10 ℃/min,溫度范圍為50~1000 ℃,樣品稱取3~10 mg。
寬頻介電分析:采用德國NOVOCONTROL CONCEPT 40型寬頻介電譜儀測試介電性能,樣品打磨成直徑30 mm,厚度1~2 mm的圓片,頻率為1~1×106Hz。
彎曲性能測試:采用深圳新三思材料檢測有限公司2T/CMT 4204型萬能試驗機,根據(jù)GB/T 2567—2008測試力學(xué)性能,樣品尺寸為80 mm×15 mm×4 mm,跨距設(shè)置為60 mm,加載速率為2 mm/min,每組測試6根樣條,取平均值。
掃描電子顯微鏡(SEM):采用日本日立公司S-4800N型掃描電子顯微鏡,加速電壓為15 kV。
按照一定的共混比例稱取BOZF和PSA,用甲苯作溶劑進行溶解,然后超聲至樹脂混合均勻,得到棕紅色透明均勻溶液,減壓蒸餾除去溶劑得到BOZF/PSA改性樹脂。
將改性樹脂趁熱澆入模具,隨后轉(zhuǎn)入真空烘箱,90 ℃真空狀態(tài)下2 h脫去氣泡,最后轉(zhuǎn)入高溫烘箱進行升溫固化,固化程序為:120 ℃,2 h;150 ℃,2 h;180 ℃,2 h;210 ℃,2 h;250 ℃,4 h。
圖2為BOZF的紅外光譜圖。其中1 200 cm?1處為C―F的伸縮振動峰,1 503 cm?1和823~825 cm?1處對應(yīng)苯環(huán)上的1, 2, 4-三取代特征吸收峰,1 328~1 329 cm?1處的弱峰為噁嗪環(huán)上亞甲基的搖擺振動吸收峰;1 240~1 247 cm?1和1 097 cm?1處分別為噁嗪環(huán)上C―O―C和C―N―C的伸縮振動吸收峰。對于BOZF-1,1 643 cm?1處為C=C雙鍵的伸縮振動吸收峰,985 cm?1處為烯丙基上C―H的伸縮振動吸收峰。對于BOZF-2和BOZF-3,3 289~3 291 cm?1處為炔基上C―H的伸縮振動吸收峰。
圖3為BOZF的核磁共振氫譜圖。對于BOZF-1,5.20和5.88處分別是烯丙基中=CH2和=CH―上的質(zhì)子峰,3.37處歸屬于烯丙基上的―CH2―上的質(zhì)子峰,3.86和4.82處分別歸屬于―Ar―CH2―N―和―O―CH2―N―上的質(zhì)子峰;對于BOZF-2,4.60和5.36處分別歸屬于噁嗪環(huán)上―Ar―CH2―N和―O―CH2―N―上的質(zhì)子峰,3.05處歸屬于炔基C≡CH上的質(zhì)子峰;對于BOZF-3,噁嗪環(huán)上―Ar―CH2―N和―O―N―CH2―上的質(zhì)子峰分別對應(yīng)于3.60和4.95處,2.31和4.08處分別歸屬于―C≡CH和―CH2―上的質(zhì)子峰。
圖2 BOZF的紅外光譜Fig. 2 FT-IR spectra of BOZF
圖3 BOZF的核磁共振氫譜Fig. 3 1H-NMR spectra of BOZF
圖4為BOZF/PSA改性樹脂的DSC曲線,其數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。
圖4 BOZF/PSA樹脂的DSC曲線Fig. 4 DSC curves of BOZF/PSA resins
由BOZF-1/PSA的DSC曲線(圖4(a))可以看出,PSA樹脂和BOZF-1/PSA改性樹脂均只有1個放熱峰,說明BOZF-1的固化放熱溫度和PSA樹脂的接近。PSA樹脂的起始固化溫度(TOnset)為200 ℃,峰值溫度(TPeak)為221 ℃,放熱量(ΔH)為400.9 J/g,該放熱峰主要由樹脂中的芳炔基之間交聯(lián)固化引起。隨著w(BOZF)的增加,BOZF-1/PSA改性樹脂的放熱峰值溫度和終止溫度(TEnd)向高溫方向移動,這是因為BOZF-1中的乙烯基使引發(fā)交聯(lián)反應(yīng)的活性降低,BOZF-1/PSA不易在較低溫度下熱固化反應(yīng),其固化放熱量隨著w(BOZF-1)的增加呈下降趨勢,這是因為BOZF-1的加入,單位質(zhì)量樹脂內(nèi)可參與反應(yīng)的芳炔基含量減少,而BOZF-1自身的固化放熱量較低,導(dǎo)致改性樹脂總放熱量相應(yīng)減少。
隨著w(BOZF-2)的增加,改性樹脂的TOnset和TPeak向高溫方向移動,TEnd略微降低,ΔH逐漸增大(圖4(b))。這是因為BOZF-2自身固化反應(yīng)放熱量較高,間氨基苯乙炔在高溫下和PSA中的芳炔基發(fā)生環(huán)三聚反應(yīng)[20]導(dǎo)致交聯(lián)度上升。
隨著w(BOZF-3)的增加,改性樹脂的TOnset和TPeak向低溫方向移動,ΔH相對PSA的逐漸增大(圖4(c))。這是因為BOZF-3中的端炔基與PSA中的芳炔基之間會發(fā)生Diels-Alder反應(yīng)[21],降低了PSA的起始固化溫度,使得樹脂固化放熱過程比較平緩,而BOZF-3自身放熱量較大,所以改性樹脂的放熱量隨著w(BOZF-3)的增加而上升。
表1 BOZF/PSA樹脂的DSC數(shù)據(jù)Table 1 DSC data of BOZF/PSA resins
圖5為BOZF/PSA改性樹脂澆鑄體的DMA曲線。室溫下PSA的儲能模量為4.3 GPa,當(dāng)溫度超過320 ℃時,儲能模量出現(xiàn)1個上升的臺階,在420 ℃時達到最大值,隨后緩慢降低。這是因為PSA結(jié)構(gòu)中含有的內(nèi)炔基固化不完全,在高溫下進一步交聯(lián)固化,樹脂的剛性隨之提高、儲能模量增加,當(dāng)溫度達到420 ℃時,交聯(lián)反應(yīng)基本結(jié)束,固化程度不再提高,分子鏈段的運動能力隨溫度提高緩慢增加,儲能模量緩慢降低。相比PSA,BOZF-1/PSA樹脂澆鑄體在室溫下儲能模量相對較低,這是因為BOZF-1樹脂結(jié)構(gòu)中的烯丙基固化交聯(lián)后形成柔性脂肪鏈,提高了改性樹脂的韌性。當(dāng)w(BOZF-1)>20%時,改性樹脂在180 ℃附近出現(xiàn)了小峰,這可能是由于BOZF-1樹脂中的脂肪鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生局部內(nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致。當(dāng)材料受到外力時,這類較小運動單元的局部松弛運動會發(fā)生一定的形變,吸收部分能量,進而削弱外力對材料的破壞。
圖5 BOZF/PSA樹脂的DMA曲線Fig. 5 DMA curves of BOZF/PSA resins
室溫下BOZF-2/PSA改性樹脂澆鑄體儲能模量(圖5(b))較PSA的略低,但下降幅度很小,儲能模量保持在3.9 GPa以上。隨著溫度升高,分子鏈的熱運動加劇,導(dǎo)致BOZF-2/PSA儲能模量略微下降。當(dāng)溫度超過320 ℃時,隨著PSA的內(nèi)炔基開始交聯(lián)固化,樹脂剛性上升,儲能模量出現(xiàn)上升的臺階,溫度超過420 ℃后開始下降。
室溫下BOZF-3/PSA改性樹脂澆鑄體的儲能模量(圖5(c))較高,在室溫~300 ℃,隨著溫度升高,儲能模量略微下降,其中w(BOZF-3)= 10%的BOZF-3/PSA其儲能模量變化趨勢和PSA的相似,超過300 ℃后儲能模量開始升高。當(dāng)w(BOZF-3)= 30%時,在400 ℃以上共混樹脂的儲能模量出現(xiàn)下降趨勢。
由BOZF/PSA的損耗角(tanδ)曲線(圖5(d, f))可知,在測試溫度范圍內(nèi)未出現(xiàn)明顯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度峰,表明其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度大于450 ℃,具有良好的熱機械性能。
圖6為BOZF/PSA改性樹脂固化物在N2氣氛下的TGA曲線,其特征數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。從BOZF-1/PSA的TGA曲線(圖6(a))可以看出,PSA樹脂固化物的Td5為642 ℃,1 000 ℃的殘留率(Yc,1 000)為90.1%。BOZF-1/PSA樹脂在400 ℃以下熱失重很小,主要的熱失重溫度區(qū)間在400~800 ℃。當(dāng)w(BOZF-1)=10%,20%,30%時,相應(yīng)固化物的Td5均在500 ℃以上,Yc,1 000雖然呈遞減趨勢,但都維持在80%上下。BOZF-1樹脂的加入導(dǎo)致改性樹脂熱失重增加,主要是因為N-烯丙基固化后會生成飽和脂肪鏈,該結(jié)構(gòu)在高溫下容易熱解脫去,導(dǎo)致改性樹脂的耐熱性下降。但是烯丙基和PSA中的端炔基在高溫下固化形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),提高了樹脂的交聯(lián)密度,因此耐熱性能下降并不明顯。
圖6 BOZF/PSA樹脂的TGA曲線Fig. 6 TGA curves of BOZF/PSA resins
由BOZF-2/PSA的TGA曲線(圖6(b))可知,BOZF-2/PSA樹脂固化物在N2氣氛下的主要熱失重區(qū)間在450~800 ℃,隨著w(BOZF-2)的增加,相應(yīng)固化物的Td5略微降低保持在560 ℃以上,Yc,1 000在85%以上,耐熱性能優(yōu)于BOZF-1/PSA和BOZF-3/PSA樹脂的。這主要是因為BOZF-2含有大量的剛性苯環(huán)結(jié)構(gòu),同時苯乙炔基可以和PSA中的芳炔基在高溫下發(fā)生環(huán)三聚反應(yīng)和Diels-Alder反應(yīng)生成耐高溫的芳環(huán)結(jié)構(gòu),因而BOZF-2/PSA改性樹脂熱穩(wěn)定性能優(yōu)良。
由BOZF-3/PSA的TGA曲線(圖6(c))可以看出,隨著w(BOZF-3)的增加,BOZF-3/PSA樹脂熱穩(wěn)定性略微下降,這是因為噁嗪環(huán)上的C?N鍵高溫下容易因斷裂從分子鏈中脫去,導(dǎo)致固化物出現(xiàn)熱失重,但另一方面炔丙基可以和PSA中的端炔基交聯(lián)固化形成大量芳環(huán)結(jié)構(gòu),仍保持著較好的熱穩(wěn)定性??傮w來看,BOZF/PSA改性樹脂具有較高的Td5和質(zhì)量殘留率,且耐熱性能優(yōu)良。
表2 BOZF/PSA樹脂TGA數(shù)據(jù)Table 2 TGA data of BOZF/PSA resins
由BOZF/PSA改性樹脂澆鑄體的介電常數(shù)和介電損耗隨頻率變化曲線(圖7)可知,PSA和BOZF/PSA改性樹脂澆鑄體的介電常數(shù)隨著頻率的增加略有降低。當(dāng)頻率為1 Hz時,PSA樹脂的介電常數(shù)為3.01,當(dāng)頻率為1 MHz時,介電常數(shù)則為2.96。
對于BOZF/PSA改性樹脂,隨著w(BOZF)的提高,其澆鑄體介電常數(shù)有增大的趨勢。當(dāng)頻率為1 Hz時,w(BOZF)= 10%的改性樹脂澆鑄體的介電常數(shù)為3.03~3.13;w(BOZF)= 30%的改性樹脂澆鑄體的介電常數(shù)為3.10~3.25。這是因為噁嗪環(huán)開環(huán)產(chǎn)生的酚羥基為極性基團,在電場作用下易發(fā)生極化,導(dǎo)致介電常數(shù)增加。但是,BOZF中引入的原子半徑較大的F元素具有較大的空間位阻,C?F鍵會增加樹脂的自由體積;此外,含氟苯并噁嗪分子內(nèi)的氫鍵一定程度上弱化了酚羥基的極化,同時BOZF中的烯丙基、苯乙炔基和炔丙基在高溫下發(fā)生交聯(lián)固化提高了改性樹脂的交聯(lián)密度,阻止分子鏈段運動,抑制結(jié)構(gòu)的極化,從而降低介電常數(shù)。BOZF-1的烯丙基交聯(lián)固化生成低極性的脂肪鏈結(jié)構(gòu),具有較低的極化率,進一步降低了介電常數(shù)。BOZF-2樹脂固化物介電性能相對最好,主要是因為苯乙炔基在高溫下高度交聯(lián),固化物分子內(nèi)鏈段的運動受限,抑制結(jié)構(gòu)極化;另外生成的芳環(huán)是剛性結(jié)構(gòu),具有較大的空間位阻,可有效提高分子內(nèi)的自由體積,降低介電常數(shù)。BOZF-3/PSA樹脂在固化時可以得到較高的交聯(lián)密度,但是端炔基固化后產(chǎn)生易于極化的共軛結(jié)構(gòu),使介電常數(shù)略有上升。
BOZF/PSA改性樹脂澆鑄體的介電損耗較低,BOZF-1/PSA和BOZF-2/PSA的介電損耗在0.01以內(nèi),BOZF-3/PSA的介電損耗也低于0.02。
圖7 BOZF/PSA樹脂介電性能與頻率的關(guān)系Fig. 7 Frequency dependence of dielectric properties of BOZF/PSA resins
表3為BOZF/PSA改性樹脂澆鑄體的彎曲性能測試結(jié)果。由于PSA通過芳炔基交聯(lián)固化形成高度交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),分子鏈段的運動受限,PSA澆鑄體呈脆性斷裂,彎曲強度只有19.5 MPa,彎曲模量達到6.78 GPa。當(dāng)w(BOZF-1)= 30%時,改性樹脂澆鑄體的彎曲強度為28.1 MPa,比PSA的相應(yīng)值提高了44.1%。這是由于烯丙基交聯(lián)反應(yīng)形成柔性脂肪鏈結(jié)構(gòu),增加了改性樹脂的韌性,使得彎曲強度上升。隨著w(BOZF)的增加,BOZF-1/PSA改性樹脂的彎曲模量呈下降趨勢,主要是因為BOZF-1樹脂韌性較好,加入到PSA中降低了改性樹脂的剛性。BOZF-2/PSA和BOZF-3/PSA均隨著w(BOZF)的增加,彎曲強度呈上升趨勢,樹脂的韌性得到提高。這是由于含氟苯并噁嗪結(jié)構(gòu)中的苯乙炔基、炔丙基與PSA結(jié)構(gòu)中的乙炔基發(fā)生熱聚合反應(yīng)形成的交聯(lián)結(jié)構(gòu),提高了改性樹脂澆鑄體的力學(xué)性能。
表3 BOZF/PSA樹脂的彎曲性能Table 3 Flexural properties of BOZF/PSA resins
圖8 BOZF/PSA澆鑄體斷裂面的SEM照片F(xiàn)ig. 8 SEM images of fracture surface of cured BOZF/PSA resins
圖8 為PSA和BOZF/PSA改性樹脂澆鑄體(w(BOZF)= 20%)斷裂面的SEM照片。從圖中可以看出,PSA和BOZF/PSA的斷面呈均相結(jié)構(gòu),表面形貌非常致密,說明苯并噁嗪與含硅芳炔在固化過程中發(fā)生了共聚反應(yīng)且兩者之間相容性良好。PSA澆鑄體的斷面結(jié)構(gòu)平整,只有很少的微裂紋產(chǎn)生,無塑性形變,屬于典型的脆性斷裂;隨著BOZF的加入,BOZF/PSA改性樹脂澆鑄體的斷裂面轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂:BOZF-1/PSA斷面裂紋較深,出現(xiàn)韌性的凹陷區(qū),這些結(jié)構(gòu)在樹脂斷裂過程中吸收大量的能量,提高了改性樹脂的韌性;BOZF-2/PSA和BOZF-3/PSA改性樹脂澆鑄體的斷裂面變得粗糙,河流狀裂紋明顯變多,證明了其在固化時形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以提高PSA的韌性。
(1)隨著BOZF-1和BOZF-2的加入,改性樹脂初始固化溫度和峰值固化溫度略有提高,在200 ℃左右開始交聯(lián)固化;BOZF-3樹脂的加入提高了改性樹脂的活性,當(dāng)w(BOZF-3)= 30%時,改性樹脂在180 ℃以下即開始交聯(lián)固化。BOZF-1的加入使改性樹脂固化放熱量逐漸降低,而BOZF-2和BOZF-3的加入則使改性樹脂固化放熱量呈上升的趨勢。
(2)BOZF/PSA改性樹脂在室溫到350 ℃儲能模量未出現(xiàn)明顯下降,其澆鑄體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高于450 ℃,具有較好的熱機械性能。
(3)與PSA相比,BOZF/PSA改性樹脂的熱穩(wěn)定性略有下降,但下降程度并不明顯,BOZF-1/PSA改性樹脂1 000 ℃下質(zhì)量殘留率在80%左右,BOZF-2/PSA改性樹脂的質(zhì)量殘留率超過85%,具有優(yōu)良的耐高溫性能。BOZF/PSA改性樹脂澆鑄體的介電常數(shù)均在3.25以內(nèi),介電損耗小于0.02,具有良好的介電性能。
(4)BOZF/PSA改性樹脂的力學(xué)性能明顯優(yōu)于PSA的,隨著w(BOZF-1)的增加,改性樹脂澆鑄體的彎曲強度可達28.1 MPa,相比PSA的提高了44.1%,明顯改善了PSA的脆性。
(5)PSA澆鑄體的斷裂面形貌致密平整,只有較少的裂紋,而改性后的樹脂斷裂面則有很多河流狀裂紋和韌性斷裂帶,BOZF的加入使樹脂從脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂。