張道洪教授:功能性超支化聚合物的設(shè)計(jì)制備及其應(yīng)用

核心提示:由中南民族大學(xué)張道洪教授負(fù)責(zé)完成的功能性超支化聚合物的設(shè)計(jì)制備及其應(yīng)用項(xiàng)目榮獲2016年湖北省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng),并被推薦參評(píng)2017年國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。  1、立項(xiàng)背景  超支化聚合物是一類具有熔體粘度低、良

由中南民族大學(xué)張道洪教授負(fù)責(zé)完成的“功能性超支化聚合物的設(shè)計(jì)制備及其應(yīng)用”項(xiàng)目榮獲2016年湖北省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng),并被推薦參評(píng)2017年國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。

1、立項(xiàng)背景

超支化聚合物是一類具有熔體粘度低、良好的溶解性的結(jié)構(gòu)不完全規(guī)整、高度支化的聚合物。其結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)異的樹(shù)枝狀聚合物類似,但容易工業(yè)化制備的優(yōu)點(diǎn)促其成為新一代功能強(qiáng)大的高分子化合物。特別是其中的超支化環(huán)氧樹(shù)脂具有粘度低、分子量高和增強(qiáng)增韌等功能特點(diǎn),已成為高性能無(wú)溶劑環(huán)保樹(shù)脂的首選基體樹(shù)脂,相關(guān)功能性超支化聚合物的設(shè)計(jì)制備及其應(yīng)用將對(duì)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界具有重要的理論意義和實(shí)際意義。

風(fēng)電產(chǎn)業(yè)和汽車產(chǎn)業(yè)是國(guó)家可持續(xù)綠色健康發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),也是十一五、十二五、十三五規(guī)劃發(fā)展的重要內(nèi)容,環(huán)保材料和節(jié)能加工技術(shù)是其發(fā)展的技術(shù)關(guān)鍵和重大挑戰(zhàn)。我國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量(圖1a)從2005年的1.25GW迅速增長(zhǎng)到2010 年的4.47GW,2015年我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模已達(dá)到1.45億千瓦,預(yù)計(jì)2020年我國(guó)的風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)可達(dá)2.5億千瓦,2020年全球風(fēng)電規(guī)模將達(dá)到7.03億千瓦。風(fēng)電清潔能源的大力發(fā)展需要大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)和耐高溫?zé)o溶劑環(huán)保絕緣樹(shù)脂,風(fēng)電機(jī)組將從目前主流的1.5-3MW發(fā)展到5-6MW,對(duì)絕緣樹(shù)脂的要求為:耐溫指數(shù)H級(jí)(180℃)以上、循環(huán)使用壽命20年以上、VOC含量達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)(低于5%)、無(wú)單體(活性稀釋劑)和無(wú)溶劑、低粘度、高活性凝膠時(shí)間短、節(jié)能降耗。

樂(lè)膠網(wǎng) 膠帶采購(gòu) 膠帶供應(yīng)

  圖1.風(fēng)電裝機(jī)量(a)和汽車產(chǎn)銷量(b)變化趨勢(shì)(數(shù)據(jù)來(lái)源于CWEA)

耐高溫絕緣樹(shù)脂是保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵材料,然而耐高溫絕緣樹(shù)脂合成與風(fēng)電絕緣的核心技術(shù)長(zhǎng)期被德國(guó)的Wacker和美國(guó)的Hexion等歐美國(guó)際巨頭壟斷,長(zhǎng)期以來(lái)這種專用樹(shù)脂完全依賴進(jìn)口,嚴(yán)重制約了我國(guó)風(fēng)電行業(yè)的健康發(fā)展。國(guó)產(chǎn)的線形聚酰胺酰亞胺和耐熱不飽和聚酯等樹(shù)脂粘度高,使用時(shí)需要大量有機(jī)溶劑或活性稀釋劑,導(dǎo)致有機(jī)揮發(fā)物高達(dá)15%,固化時(shí)環(huán)境污染嚴(yán)重,更重要的是儲(chǔ)存穩(wěn)定性差,難以成為兆瓦級(jí)大功率風(fēng)電絕緣樹(shù)脂。高端專用樹(shù)脂的合成一直是行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn),特別是風(fēng)力發(fā)電機(jī)用的耐高溫絕緣樹(shù)脂合成更是迫切需要攻克的技術(shù)難題。

2007年中南民族大學(xué)與蘇州太湖電工新材料股份有限公司開(kāi)始組建校企技術(shù)研發(fā)中心,開(kāi)展風(fēng)力發(fā)電機(jī)用耐高溫?zé)o溶劑絕緣樹(shù)脂研究,先后成功發(fā)明了儲(chǔ)存穩(wěn)定性優(yōu)異的超支化環(huán)氧樹(shù)脂、潛伏性固化促進(jìn)劑及耐高溫?zé)o溶劑絕緣樹(shù)脂的設(shè)計(jì)和制備技術(shù),形成了風(fēng)電絕緣樹(shù)脂系列產(chǎn)品,成功取代進(jìn)口相關(guān)產(chǎn)品,應(yīng)用于北車、東電、南汽等公司的風(fēng)電定子的絕緣處理多年,占領(lǐng)國(guó)內(nèi)30%以上市場(chǎng),并獲國(guó)家火炬計(jì)劃產(chǎn)品和江蘇省高新技術(shù)產(chǎn)品。

汽車產(chǎn)業(yè)是我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè),我國(guó)汽車產(chǎn)量從2005年的570萬(wàn)輛到2010年的1800萬(wàn)輛,到2015年的2450萬(wàn)輛(圖1b),十三五規(guī)劃2020年將達(dá)到3000萬(wàn)輛。汽車的輕量化和節(jié)能減排是可持續(xù)綠色發(fā)展的趨勢(shì),汽車自重每減少10%,油耗可降低6-8%、燃油效率可提高5.5%、排放可降低5-6%。汽車的主要材料是鋼材和塑料,發(fā)展高強(qiáng)度、密度較低的塑料來(lái)替代鋼材部件,不但可降低零部件加工、裝配及維修費(fèi)用,而且節(jié)能和環(huán)保,是汽車輕量化的唯一途徑。塑料及其復(fù)合材料既可減輕汽車零部件約40%的質(zhì)量,還可使成本降低40%左右。20世紀(jì)90年代,發(fā)達(dá)國(guó)家汽車平均用塑料量是100-130kg/輛,占整車整備質(zhì)量的7-10%,2015年德國(guó)汽車塑料用量達(dá)到300-325kg/輛,占整車整備質(zhì)量的22.5%;而我國(guó)目前汽車塑料用量為90-110kg/輛,僅占車重的8%,與發(fā)達(dá)國(guó)家差距明顯。預(yù)計(jì)到2020年,發(fā)達(dá)國(guó)家汽車平均用塑料量將達(dá)到500kg/輛以上。制約我國(guó)車用塑料量的技術(shù)關(guān)鍵是目前塑料復(fù)合材料的強(qiáng)度,強(qiáng)度隨無(wú)機(jī)填料的增加而增加、隨界面相互作用(或相容性)的增加而增加,目前我國(guó)車用塑料的填料用量?jī)H在15-35%,針對(duì)這一技術(shù)關(guān)鍵,我們發(fā)明了車用塑料用功能性超支化聚酯及塑料節(jié)能加工技術(shù),使塑料中填料的用量可達(dá)60%,降低加工溫度15-20℃。

2、技術(shù)發(fā)明內(nèi)容

2.1總體思路

張道洪教授:功能性超支化聚合物的設(shè)計(jì)制備及其應(yīng)用

  圖2. 本發(fā)明內(nèi)容的總體思路

針對(duì)當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)風(fēng)電絕緣樹(shù)脂受國(guó)外價(jià)格昂貴的有機(jī)硅無(wú)溶劑絕緣樹(shù)脂和環(huán)境污染嚴(yán)重的環(huán)氧-酸酐樹(shù)脂壟斷的背景,結(jié)合課題組在超支化聚合物的基礎(chǔ)工作,提出以設(shè)計(jì)制備新型的超支化環(huán)氧樹(shù)脂、潛伏性固化劑及其風(fēng)力發(fā)電機(jī)用耐高溫?zé)o溶劑絕緣樹(shù)脂及其所涉及的多種超支化聚合物相關(guān)產(chǎn)品的創(chuàng)制和產(chǎn)業(yè)化,總體思路和相關(guān)產(chǎn)品如圖2所示。

2.2發(fā)明內(nèi)容

(1)發(fā)明了低粘度增強(qiáng)增韌的熱固性超支化聚合物的合成技術(shù)

獲授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利11項(xiàng)、1項(xiàng)獲國(guó)家火炬計(jì)劃產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目、1項(xiàng)產(chǎn)品通過(guò)美國(guó)UL認(rèn)證和發(fā)表SCI收錄的研究論文6篇。

熱固性超支化聚合物包含超支化環(huán)氧樹(shù)脂和超支化不飽和聚酯。

基于“似球形結(jié)構(gòu)的聚合物有較小流體力學(xué)體積、分子鏈間少纏結(jié)、易流動(dòng)和表面積大能承載更多的官能團(tuán)而提高交聯(lián)密度”原理,發(fā)明了具有增強(qiáng)增韌功能的表面含不飽和雙鍵的超支化不飽和聚酯和表面含環(huán)氧基團(tuán)的低粘度硅骨架超支化環(huán)氧樹(shù)脂的合成技術(shù),解決了傳統(tǒng)線形不飽和聚酯和線形環(huán)氧樹(shù)脂易纏結(jié)、粘度大、流動(dòng)性差和使用過(guò)程中需有機(jī)溶劑而污染環(huán)境等難題。創(chuàng)新了高分子量、低粘度和低揮發(fā)熱固性超支化聚合物合成的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。該發(fā)明突破了國(guó)外的技術(shù)封鎖,對(duì)低粘度樹(shù)脂的設(shè)計(jì)合成提供理論指導(dǎo),對(duì)不飽和樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂及下游產(chǎn)品無(wú)溶劑的環(huán)保化應(yīng)用具有重要意義。瑞典Perstorp公司是超支化環(huán)氧樹(shù)脂的最主要生產(chǎn)商,產(chǎn)品Boltorn E1為固體,市售的雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂主要是高粘度液體,與本發(fā)明的產(chǎn)品對(duì)比見(jiàn)表1。

表1. 超支化環(huán)氧樹(shù)脂的性能比較

環(huán)氧樹(shù)脂

粘度,cp

環(huán)氧值, mol/100g

數(shù)均分子量, g/mol

初始熱分解

溫度,

功能

Boltorn E1

室溫為固體

0.11

1000-1500

90-150

增韌2-3倍、降強(qiáng)度10-20%

雙酚A型(E51

9000-12000

0.51

190-200

99-160

高強(qiáng)度、低韌性

本發(fā)明產(chǎn)品

100-700

0.18

1800-6600

340-380

增韌1-2倍、增強(qiáng)30-60%、耐熱20%

新發(fā)明的硅骨架超支化環(huán)氧樹(shù)脂產(chǎn)品為液體,具有分子量高、粘度低等優(yōu)點(diǎn),比Boltorn E1具有更高環(huán)氧值和反應(yīng)活性及增強(qiáng)功能,比雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂具有更小的粘度和增強(qiáng)增韌及耐熱功能(RSC Adv.,2013,3:9522)。初始熱分解溫度達(dá)到340℃,是當(dāng)時(shí)環(huán)氧樹(shù)脂領(lǐng)域報(bào)道的最高值(RSC Adv.,2013,3:3095)。

發(fā)明的低粘度超支化不飽和聚酯,解決了傳統(tǒng)線形不飽和聚酯粘度大、韌性差、需要有機(jī)溶劑稀釋而產(chǎn)生環(huán)境污染難題,與傳統(tǒng)線形固體不飽和聚酯相比,超支化不飽和聚酯的粘度低至8320cp(Chem. Eng. Tech.,2011,34:119),可分別提高線形不飽和聚酯的韌性70%和強(qiáng)度45%(Funct. Mater. Lett., 2011, 4:351)。將超支化不飽和聚酯應(yīng)用于制備的變壓器絕緣浸漬漆,具有優(yōu)異滲透性、流變性和焊錫性能,綜合性能優(yōu)于瑞士豐羅DOLPHS-359產(chǎn)品,打破了該漆長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷的局面,該漆被列為國(guó)家火炬計(jì)劃產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目,通過(guò)美國(guó)UL認(rèn)證和CTI環(huán)保檢測(cè)。

(2)發(fā)明了風(fēng)力發(fā)電機(jī)用耐高溫?zé)o溶劑絕緣樹(shù)脂制備的關(guān)鍵技術(shù)

獲授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利15項(xiàng),3種產(chǎn)品通過(guò)美國(guó)UL認(rèn)證,3項(xiàng)獲國(guó)家火炬計(jì)劃產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目,10個(gè)江蘇省高新技術(shù)產(chǎn)品,2項(xiàng)產(chǎn)品通過(guò)CTI環(huán)保認(rèn)證,起草和參與起草國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)19項(xiàng)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)3項(xiàng),主編專著1部《絕緣高分子材料》。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的絕緣材料主要包括耐高溫?zé)o溶劑絕緣樹(shù)脂和云母帶等,核心組分是絕緣樹(shù)脂和膠黏劑,耐高溫環(huán)保絕緣樹(shù)脂是大功率風(fēng)電絕緣的關(guān)鍵材料。

基于“咪唑羧酸鹽熱分解既產(chǎn)生促進(jìn)固化的咪唑基又產(chǎn)出固化環(huán)氧樹(shù)脂的羧基”原理,發(fā)明了常溫穩(wěn)定、高溫分解、具有促進(jìn)和固化雙功能的端咪唑羧酸鹽超支化聚酯潛伏性固化劑合成的關(guān)鍵技術(shù),其儲(chǔ)存穩(wěn)定性和熱分解溫度(大于200℃)均高于美國(guó)Emerald的BC-120(40℃)和德國(guó)Hunstman的DY-9577(80℃)。解決了環(huán)氧樹(shù)脂/固化劑單組分均相穩(wěn)定儲(chǔ)存和快速固化的難題,對(duì)潛伏性環(huán)氧樹(shù)脂的合成技術(shù)和快速固化及節(jié)能降耗具有重要意義。

帶有雙鍵基團(tuán)和環(huán)氧基團(tuán)的樹(shù)脂分別交聯(lián)形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可有效提高耐熱性。以端咪唑羧酸鹽超支化聚酯為固化劑,含雙鍵的超支化不飽和聚酯和含環(huán)氧基的超支化環(huán)氧樹(shù)脂為基體樹(shù)脂制備了耐高溫?zé)o溶劑絕緣樹(shù)脂,解決了單一環(huán)氧體系或不飽和體系絕緣樹(shù)脂的耐熱性較低和傳統(tǒng)絕緣樹(shù)脂的儲(chǔ)存穩(wěn)定性差及溶劑污染的難題,實(shí)現(xiàn)了絕緣樹(shù)脂耐高溫、無(wú)溶劑應(yīng)用、高機(jī)械性能和單組分儲(chǔ)存的優(yōu)異性能,成果被鑒定達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,打破了國(guó)外對(duì)風(fēng)電用耐高溫絕緣樹(shù)脂制備技術(shù)的封鎖,建成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的風(fēng)電用耐高溫絕緣樹(shù)脂等絕緣材料的生產(chǎn)線,該發(fā)明對(duì)國(guó)內(nèi)風(fēng)電絕緣和耐高溫環(huán)氧樹(shù)脂發(fā)展具有引領(lǐng)和示范作用。

與德國(guó)Wacker的有機(jī)硅浸漬漆H62C和美國(guó)Hexion的環(huán)氧-酸酐無(wú)溶劑絕緣樹(shù)脂EPLKOTE162相比,本發(fā)明的耐高溫?zé)o溶劑絕緣樹(shù)脂具有更高的機(jī)械性能、更低的VOC含量(≤1.54%)和更高的電氣強(qiáng)度(≥31.6kV/mm);與EPLKOTE162樹(shù)脂相比又具有更低的介電損耗等優(yōu)點(diǎn)。該生產(chǎn)技術(shù)已在蘇州太湖電工新材料股份有限公司實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,形成了無(wú)溶劑絕緣樹(shù)脂系列產(chǎn)品,產(chǎn)品被中車永濟(jì)、東方電氣、南汽等企業(yè)用于高壓電機(jī)、風(fēng)電電機(jī)的絕緣處理。其中無(wú)溶劑浸漬樹(shù)脂項(xiàng)目為國(guó)家火炬計(jì)劃產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目,也是江蘇省高新技術(shù)產(chǎn)品。

以硅骨架超支化環(huán)氧樹(shù)脂和端咪唑羧酸鹽超支化聚酯潛伏性固化劑為主要材料,制備了粘度低和粘結(jié)強(qiáng)度高的云母膠粘劑及耐電暈少膠云母帶,應(yīng)用于風(fēng)電絕緣復(fù)合材料和風(fēng)電防腐涂料,解決了傳統(tǒng)云母帶膠含量高、耐熱性差和擊穿電壓低等難題。制備的風(fēng)電用耐電暈聚酰亞胺薄膜云母帶,將具有高耐熱性和耐腐蝕性能的硅骨架超支化聚合物制備海上風(fēng)電設(shè)備防腐用重防腐聚硅氧烷樹(shù)脂,2項(xiàng)產(chǎn)品為江蘇省高新技術(shù)產(chǎn)品。應(yīng)用端羥基超支化聚酯制備了陸地風(fēng)電電機(jī)和中小型電機(jī)的表面防腐涂料均獲江蘇省高新技術(shù)產(chǎn)品,解決了傳統(tǒng)磁漆表面交聯(lián)度低、附著力低、強(qiáng)度低、耐磨性差等難題。制備的風(fēng)電用聚酯纖維非織布低阻上膠紙獲國(guó)家火炬計(jì)劃產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目。

本發(fā)明產(chǎn)品通過(guò)美國(guó)UL國(guó)際認(rèn)證和CTI國(guó)際環(huán)保檢測(cè),符合歐盟RoHS、REACH 環(huán)保要求,達(dá)到國(guó)際質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)志著我國(guó)的風(fēng)電用耐高溫絕緣樹(shù)脂打破了發(fā)達(dá)國(guó)家的壟斷,顯著提升了我國(guó)風(fēng)電絕緣樹(shù)脂的技術(shù)水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。起草和參與起草22項(xiàng)風(fēng)電絕緣材料、絕緣結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、風(fēng)電線圈、風(fēng)電電機(jī)等國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)建了國(guó)內(nèi)最早的UL認(rèn)證絕緣系統(tǒng),可授權(quán)其他公司使用,對(duì)國(guó)內(nèi)風(fēng)電絕緣具有引領(lǐng)和示范作用。

(3)端羥基/端羧基超支化聚酯應(yīng)用于節(jié)能加工制備塑料和工業(yè)廢渣回收利用

針對(duì)工程塑料(如尼龍、PBT等)熔體粘度大、流動(dòng)性差、加工溫度高、難于提高填料用量等技術(shù)難題,利用自主研發(fā)的端羧基或端羥基超支化聚酯通過(guò)低溫粉碎和防粘技術(shù)制備工程塑料專用多功能助劑HyPer C100和HyPer C181,可顯著提高流動(dòng)性(熔融指數(shù)提高2-4倍)、提高填料分散、將填料用量從30%提高到60%、環(huán)保高效、節(jié)能降耗(降低加工溫度15-20℃),與國(guó)內(nèi)外其他助劑相比,綜合性能最好(見(jiàn)圖3)。開(kāi)發(fā)的通用塑料節(jié)能加工助劑HyPer C100T能顯著提高塑料的附著力、增加流動(dòng)性、提高顏料的分散性和鮮艷度和細(xì)膩美感、提高塑料紡絲的流變性、降低加工溫度、提高填料用量,并可直接將錳渣和硫酸鋁廢渣100%回收利用制備塑料復(fù)合材料。申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利5項(xiàng),其中授權(quán)3項(xiàng)。

張道洪教授:功能性超支化聚合物的設(shè)計(jì)制備及其應(yīng)用

  圖3.添加劑的種類對(duì)尼龍-6和尼龍-66的玻纖復(fù)合材料熔融指數(shù)的影響.

HyPer C100與美國(guó)科聚亞的螺環(huán)樹(shù)脂CBT100、樹(shù)枝狀聚合物、HALS、Fluoren、超支化聚合物等相比(圖3),對(duì)提高尼龍/玻纖體系的流動(dòng)性(熔融指數(shù))的能力最強(qiáng),并且表面無(wú)浮纖和機(jī)械性能不受影響。所生產(chǎn)的超支化聚合物成為國(guó)內(nèi)100余所科研院所和高校研究的基礎(chǔ)原料,產(chǎn)品被中國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)、新加坡等國(guó)家的著名企業(yè)所應(yīng)用。本發(fā)明技術(shù)對(duì)高性能工程塑料的制備和超支化聚合物的工程應(yīng)用具有重要意義。

(4)構(gòu)建了超支化聚合物的均相原位增強(qiáng)增韌模型

發(fā)表SCI收錄論文15篇,參編《Micro and Nanostructured Epoxy/Rubber Blends》專著的一章。

熱固性樹(shù)脂的增韌機(jī)理為傳統(tǒng)兩相海島結(jié)構(gòu)機(jī)理,所用的彈性體增韌劑分子尺寸大、熔體粘度高,難于均勻分散在基體樹(shù)脂中,基體樹(shù)脂固化后形成海相結(jié)構(gòu),彈性體增韌劑形成島相結(jié)構(gòu),基體樹(shù)脂與彈性體難以進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)反應(yīng),界面相互作用弱、交聯(lián)密度下降而導(dǎo)致強(qiáng)度降低。研究耐高溫?zé)o溶劑絕緣樹(shù)脂的機(jī)械性能時(shí),發(fā)現(xiàn)加入超支化環(huán)氧樹(shù)脂能顯著提高絕緣樹(shù)脂的強(qiáng)度和韌性,基于“超支化聚合物似球形結(jié)構(gòu)和內(nèi)部空穴可吸收能量而增韌、表面官能團(tuán)多可提高交聯(lián)密度而增強(qiáng)”原理,結(jié)合分子模擬技術(shù),構(gòu)建均相原位增強(qiáng)增韌模型,如圖4所示。

張道洪教授:功能性超支化聚合物的設(shè)計(jì)制備及其應(yīng)用

  圖4. 均相原位增強(qiáng)增韌機(jī)理示意圖.

分子尺寸為5-10納米(圖4)的似球形超支化環(huán)氧樹(shù)脂很容易進(jìn)入線形環(huán)氧樹(shù)脂的分子鏈之間,似球形結(jié)構(gòu)可使其在線形分子鏈間滑動(dòng),減少分子鏈間的相互纏結(jié)和相互作用,從而降低樹(shù)脂的粘度,形成均相混合物。超支化環(huán)氧樹(shù)脂表面的大量基團(tuán)進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng),形成高交聯(lián)密度的界面層(圖4中的綠色環(huán))以提高強(qiáng)度,超支化環(huán)氧樹(shù)脂內(nèi)部不交聯(lián)的分子空穴和似球形結(jié)構(gòu)受沖擊時(shí)可變形而吸收能量,提高韌性,因此超支化環(huán)氧樹(shù)脂具有原位增強(qiáng)增韌功能。

與固化后的純雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂沖擊斷面所形成的脆性斷裂(圖5a)相比,超支化環(huán)氧樹(shù)脂添加后,沖擊斷面出現(xiàn)大量柔性絲狀物(圖5b),絲狀物是似球形結(jié)構(gòu)在外力作用下受沖擊變形而形成的。結(jié)合動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析,發(fā)現(xiàn)固化的超支化環(huán)氧樹(shù)脂為均相結(jié)構(gòu),并非傳統(tǒng)的“海島結(jié)構(gòu)”。由此構(gòu)建了超支化聚合物的均相原位增強(qiáng)增韌模型,改變了傳統(tǒng)線形熱固性樹(shù)脂強(qiáng)度和韌性不能同時(shí)提高的固有概念。超支化不飽和聚酯等多種體系進(jìn)一步證實(shí)了這種模型,并得到了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的認(rèn)可和引用(Chem. Soc. Rev., 2015, 44:3942、Chem. Soc. Rev., 2015, 44:4091、ACS Appl. Mater. Interfaces, 2013, 5:10027、J. Mater. Chem. A, 2013,1:348、Ind. Eng. Chem. Res, 2015,54:922、J. Mater. Chem. A, 2015,3:1188等)。這種均相原位增強(qiáng)增韌模型為解釋和分析熱固性樹(shù)脂的增強(qiáng)增韌機(jī)理提供理論依據(jù),對(duì)未來(lái)設(shè)計(jì)高韌性、高強(qiáng)度的高性能樹(shù)脂具有很強(qiáng)的理論指導(dǎo)意義。

張道洪教授:功能性超支化聚合物的設(shè)計(jì)制備及其應(yīng)用

  圖5.雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂(a)和含超支化環(huán)氧樹(shù)脂(b)固化物沖擊斷面的掃描圖.

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