CN111019128A - 一种端炔基聚乙二醇增韧的聚三唑树脂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于树脂的生产技术领域,具体公开了一种端炔基聚乙二醇增韧的聚三唑树脂及其制备方法。该树脂为端炔基聚乙二醇单体与聚三唑树脂所用单体通过1,3‑偶极环加成反应制得的共聚物。该树脂有较好的溶解性。随着柔性链的引入,固化后的树脂韧性有了显著的提高,抗冲击强度可达到72.92kJ/m2,比改性前聚三唑树脂提高了84.8%,树脂的玻璃化转变温度(Tg)和5wt%热失重温度(Td5)略有下降,可作为航空航天结构复合材料的树脂基体,获得更广泛应用。
Description
技术领域
本发明属于树脂的生产技术领域,具体涉及一种端炔基聚乙二醇增韧的聚三唑树脂制备方法。
背景技术
先进复合材料是航空航天的重要物质基础与先导技术(杜善义.先进复合材料与航空航天[J].复合材料学报,2007,24(1):1-12)。先进树脂基复合材料可以显著降低飞机的质量,其制造部件比传统航空结构材料通常减重20%~30%,但随着航空航天制造技术向高速度和多功能化方向发展,减重已经不再是复合材料在飞行器中应用的唯一目的,高速飞机、空天飞机、航空发动机等先进装备对先进复合材树脂基体提出了兼顾耐热、成型工艺和良好韧性性能的需求(杨涛,张朋,董波涛,等.热固性聚酰亚胺树脂基复合材料的增韧改性研究进展[J].航空制造技术,2019,62(10):66-71)。利用合理的结构和材料设计,提高基体树脂的韧性可以扩大先进复合材料在航空航天领域的应用范围(刘琳,戴光宇,李文峰,等.航空航天用高性能热固性树脂基体应用及研究进展[J].中国塑料,2008,22(4):9-11)。因此,如何在保证良好耐热性能的同时获得韧性性能优异的热固性树脂,逐渐成为研究的焦点。近年来,华东理工大学先进树脂基复合材料研究室利用炔基和叠氮化合物的1,3-偶极环加成反应制备了一系列聚三唑树脂,并对其作了系统的研究(Tian J,Wan L,Huang J,et al.Preparation and properties of a new polytriazole resin madefrom dialkyne and triazide compounds and its,composite[J].Polymer Bulletin,2008,60(4):457-465.)(Wang X,Zhao Z,Tian J,et al.Synthesis andcharacterization of a new polytriazole resin derived from N,N-dipropargyl-p-propargyloxyaniline[J].Polymer Journal,2009,41(6):498–502.)(Li Y,Zhou H,E Y,et al.Synthesis and characterization of a new series of rigid polytriazoleresins[J].DesignedMonomers&Polymers,2013,16(6):556-563.)(WangY,WanL,HanD,etal.Investigation ofnovel polytriazole resins[J].Designed Monomers&Polymers,2016,19(7):1-8.)(Xue L,Wan L,Hu Y,et al.Thermal stability ofa novelpolytriazole resin[J].ThermochimicaActa,2006,448(2):147-153.)(Huang F,Wan L,Du L,et al.The effects of structures on properties of new polytriazoleresins.In:High Performance Polymers and Engineering Plastics[M],Ed.VikasMittal,New Jersey:John Wiley&Sons and Scrivener Publishing,2011,chapter8:243-267.)。研究表明聚三唑树脂可低温固化,固化树脂具有优良的加工性能、热性能和力学性能,可用作先进复合材料的树脂基体。对聚三唑树脂的增韧化研究具有十分重要的应用价值。并且,目前有关增韧聚三唑树脂的研究还鲜见报道。
含有柔性长链结构的聚合物具有优良的韧性,将长链聚醚结构引入聚三唑树脂能够提高其韧性。
迄今,已有许多关于在主链结构中引入柔性链段的化学改性方法增韧热固性树脂的报道。郑本陪等通过化学反应将具有柔性长链结构的聚乙二醇键接到呋喃树脂上从而增加了其韧性。PEG分子量为400Da时,对呋喃树脂的增韧效果最好,其用量为25wt%时,呋喃树脂的断裂伸长率达到了5.51%,最大拉伸强度可达19.9MPa(郑本陪,毕超奇,朱荣芳,等.聚乙二醇化学改性增韧呋喃树脂的研究[J].安徽工程大学学报,2015,30(1):41-43);刘小英等在叔胺催化剂的作用下,乙二醇与环氧树脂发生了开环加成反应,将脂肪醇柔性链段引入到环氧树脂主链结构中,使环氧树脂的韧性得到了增强(刘小英,李国清,郑燕玉,等.乙二醇改性环氧树脂及其成膜性能[J].材料保护,2013,10(46):40-43);肖天金通过在PMR型聚酰亚胺的主链中引入柔性芳基醚链段,使其韧性大副提高,同时又具有优异的耐热稳定性和耐热氧化稳定性(肖天金.热固性耐高温增韧聚酰亚胺的制备与研究[D].北京:中国科学院化学研究所,2001);
综上所述,聚三唑树脂拥有许多优良性能,但其韧性还有提高空间。在聚三唑树脂的主链结构中引入柔性链段,对其进行化学改性,可以使聚三唑树脂的韧性提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种端炔基聚乙二醇增韧的聚三唑树脂及其制备方法,这种树脂能在80℃~150℃固化交联,形成的含柔性长链结构聚三唑树脂具有很好的韧性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
一种端炔基聚乙二醇增韧的聚三唑树脂,其为端炔基聚乙二醇单体和N,N,N’,N’-四炔丙基-4,4’-二氨基-二苯甲烷以及联苯二苄叠氮通过1,3-偶极环加成反应制得的共聚物;
重复单元n=22;
所述N,N,N’,N’-四炔丙基-4,4’-二氨基-二苯甲烷的结构式为:
所述联苯二苄叠氮的结构式为:
进一步,所述端炔基聚乙二醇与N,N,N’,N’-四炔丙基-4,4’-二氨基-二苯甲烷、联苯二苄叠氮的摩尔比为2:49:100、6:47:100或10:45:100。
如本发明所述的一种端炔基聚乙二醇增韧的聚三唑树脂,所述增韧聚三唑树脂固化物的抗冲击强度分别为61.09kJ/m2、70.65kJ/m2、72.92kJ/m2;
所述增韧聚三唑树脂的固化物Td5分别为354℃、344℃、324℃;
所述增韧聚三唑树脂的固化物Tg分别为223℃、189℃、160℃。
本发明还提供一种端炔基聚乙二醇增韧的聚三唑树脂的制备方法,包括如下步骤:在没有溶剂存在的条件下,所述端炔基聚乙二醇与所述N,N,N’,N’-四炔丙基-4,4’-二氨基-二苯甲烷以及联苯二苄叠氮混合熔融后进行反应制得增韧聚三唑树脂。
进一步,所述反应的温度为70℃;
所述单体熔融的时间为12min;
所述反应的时间为5min;
所述反应结束后,得到增韧聚三唑树脂。
进一步,树脂固化成型的操作为在80℃固化成型后,再在100~150℃下完全固化,更佳地包括下述步骤:先在80℃下保温12h即可固化成型,再依次经120℃保温2h、150℃保温2h固化完全。
进一步,所述端炔基聚乙二醇由如下方法制备而成:
在干燥的惰性气体保护下,将叔丁醇钾加入到聚乙二醇的四氢呋喃溶液中,其中聚乙二醇和叔丁醇钾的摩尔比为1:2.5;0℃下反应1h后,将溴丙炔逐滴加入到溶液中,其中溴丙炔和叔丁醇钾的摩尔比为1:1;滴加完毕后,0℃下反应30min,然后常温下反应24h;反应结束后,将反应混合物用饱和食盐水洗涤5次,保留有机层,经无水硫酸镁干燥,抽滤后在35℃下减压旋蒸,除去溶剂,得到端炔基聚乙二醇。
本发明还提供一种如上述的制备方法制得的增韧聚三唑树脂固化物。
本发明还提供所述端炔基聚乙二醇增韧的聚三唑树脂在航空航天、武器设备领域上的应用。
发明详述:
本发明提供一种端炔基聚乙二醇增韧的聚三唑树脂及其制备方法,该制备方法具体步骤为:
第一步,端炔基聚乙二醇单体的制备:
所述的端炔基聚乙二醇单体的制备:
其中,重复单元n=22。
具体工艺流程如下:在干燥的惰性气体保护下,将叔丁醇钾加入到聚乙二醇的四氢呋喃溶液中,其中聚乙二醇和叔丁醇钾的摩尔比为1:2.5。0℃下反应1h后,将溴丙炔逐滴加入到溶液中,其中溴丙炔和叔丁醇钾的摩尔比为1:1。滴加完毕后,0℃下反应30min,然后常温下反应24h。反应结束后,将反应混合物用饱和食盐水洗涤5次,保留有机层,经无水硫酸镁干燥,抽滤后在35℃下减压旋蒸,除去溶剂,得到淡黄色液体,为目标产物端炔基聚乙二醇。
第二步,主链含长链聚醚结构的聚三唑树脂的制备:
具体工艺流程如下:端炔基聚乙二醇单体与聚三唑树脂的原料单体[联苯二苄叠氮(BPDBA)以及N,N,N’,N’-四炔丙基-4,4’-二氨基-二苯甲烷(TPDDM)]按基团摩尔比(叠氮基团)/(炔基基团)=1.0:1.02在70℃下进行混合,搅拌12min至单体熔融后反应5min,得到主链含长链聚醚结构的聚三唑树脂。
与现有技术相比,本发明的积极效果是:
本发明合成了一种主链含长链聚醚结构的聚三唑树脂,将柔性链引入到聚三唑树脂的主链结构中,使聚三唑树脂体系中三唑环之间获得较大活动空间,聚三唑树脂在受到冲击后能吸收更多的能量,从而大大提高了聚三唑树脂的韧性,作为先进复合材料的树脂基体,有望在航空航天、武器设备等领域得到更广泛的应用。将醚键引入到聚三唑树脂的主链结构中,使聚三唑树脂具有良好的加工性能,易溶于丙酮、THF、DMSO、及DMF等极性溶剂,并且保留了聚三唑树脂的高热稳定性。
附图说明
图1为实施例1~3所合成的增韧聚三唑树脂(TPTA-1、TPTA-2和TPTA-3)固化物和未增韧聚三唑树脂(PTA)的DMA曲线图。
图2为实施例1~3所合成的增韧聚三唑树脂(TPTA-1、TPTA-2和TPTA-3)固化物和未增韧聚三唑树脂(PTA)在氮气条件下的TGA曲线,其中虚线处表示固化物热失重5wt%。
图3为对比例未改性的聚三唑树脂(PTA)和实施例3所合成的增韧聚三唑树脂(TPTA-3)冲击断面SEM图片。
具体实施方式
以下提供本发明一种端炔基聚乙二醇增韧的聚三唑树脂及其制备方法的具体实施方法
实施例1:
增韧聚三唑树脂TPTA-1的合成及固化,所述TPTA-1中DPPEG的炔基摩尔量占总炔基的2%。
(1)分子量为1000的端炔基聚乙二醇单体(DPPEG)的合成
在1000ml茄形瓶中加入分子量为1000的聚乙二醇(50g,0.05mol)和四氢呋喃500mL,通过磁力搅拌至聚乙二醇完全溶解。将装有搅拌器、温度计、恒压漏斗、通气口的1000mL四口烧瓶经抽真空烤瓶除水,在氮气的保护下,加入配好的聚乙二醇的四氢呋喃溶液,然后加入叔丁醇钾(14.03g,0.125mol)。冰水浴下搅拌1h后,在氮气保护下,将溴丙炔(14.87g,0.125mol)通过50mL恒压漏斗缓慢滴入其中。滴加完毕后,在冰水浴下搅拌反应30min。反应结束后,将反应混合物倒入2L分液漏斗中,用饱和食盐水洗涤反应混合物,保留有机层,洗涤五次。经无水硫酸镁干燥4h,抽滤,最终通过减压旋蒸除去四氢呋喃和反应副产物,得到黄色蜡状产物,产率约40%。
具体反应流程如下:
DPPEG的核磁氢谱、红外光谱数据:
FTIR(KBr,v,cm-1):3240(炔烃的≡C-H伸缩振动峰),2105(炔烃的C≡C伸缩振动峰),670(炔烃的≡C-H弯曲振动峰)。
1H-NMR(CDCl3,TMS)δ(ppm):2.45(s,2H,-C≡CH),3.67~3.72(m,88H,-CH2-CH2-O-),4.23(s,4H,-C-CH2-)。
DPPEG的元素分析结果如表1所示。以两次测量的平均含量为各元素含量,以C元素为基准,可计算出聚乙二醇中的端羟基取代率为99%。
表1DPPEG的元素分析结果
(2)增韧聚三唑树脂TPTA-1的合成
将DPPEG1000(1.87g,1.89mmol)、联苯二苄叠氮(BPDBA,25g,94.7mmol)、N,N,N’,N’-四炔丙基-4,4’-二氨基-二苯甲烷(TPDDM,16.24g,46.4mmol)加入250mL烧杯,油浴锅中70℃下用玻璃棒搅拌,约12min后单体熔融后反应5min,得到黄色TPTA-1树脂。
(3)增韧聚三唑树脂TPTA-1的固化
将黄色树脂浇注到涂有脱模剂并在70℃下预热1h的模具中,放入烘箱真空抽泡30min,在80℃下保温6h即可成型,再依次经120℃保温2h、150℃保温2h固化完全,固化结束后脱模,得到黄色坚硬固化物。固化完全后的TPTA-1树脂的Tg为223℃,Td5为354℃,抗冲击强度为61.09kJ/m2。
实施例2:
增韧聚三唑树脂TPTA-2的合成及固化,所述TPTA-2中DPPEG的炔基摩尔量占总炔基的6%。
(1)增韧聚三唑树脂TPTA-2的合成
将DPPEG1000(5.61g,5.68mmol)、联苯二苄叠氮(BPDBA,25g,94.7mmol)、N,N,N’,N’-四炔丙基-4,4’-二氨基-二苯甲烷(TPDDM,15.58g,44.5mmol)加入250mL烧杯,油浴锅中70℃下用玻璃棒搅拌,约12min后单体熔融后反应5min,得到黄色TPTA-2树脂。
(2)增韧聚三唑树脂TPTA-2的固化
将黄色树脂浇注到涂有脱模剂并在70℃下预热1h的模具中,放入烘箱真空抽泡30min,在80℃下保温6h即可成型,再依次经120℃保温2h、150℃保温2h固化完全,固化结束后脱模,得到黄色坚硬固化物。固化完全后的TPTA-2树脂的Tg为189℃,Td5为344℃,抗冲击强度为70.65kJ/m2。
实施例3:
增韧聚三唑树脂TPTA-3的合成及固化,所述TPTA-3中DPPEG的炔基摩尔量占总炔基的10%。
(1)增韧聚三唑树脂TPTA-3的合成
将DPPEG1000(9.36g,9.47mmol)、联苯二苄叠氮(BPDBA,25g,94.7mmol)、N,N,N’,N’-四炔丙基-4,4’-二氨基-二苯甲烷(TPDDM,14.91g,42.6mmol)加入250mL烧杯,油浴锅中70℃下用玻璃棒搅拌,约12min后单体熔融后反应5min,得到黄色TPTA-3树脂。
(2)增韧聚三唑树脂TPTA-3的固化
将黄色树脂浇注到涂有脱模剂并在70℃下预热1h的模具中,放入烘箱真空抽泡30min,在80℃下保温6h即可成型,再依次经120℃保温2h、150℃保温2h固化完全,固化结束后脱模,得到黄色坚硬固化物。固化完全后的TPTA-3树脂的Tg为160℃,Td5为324℃,抗冲击强度为72.92kJ/m2。
TPTA树脂具有良好的溶解性,室温下除了甲醇和石油醚之外,能够溶解于丙酮、THF、乙腈、乙酸乙酯、氯代烃溶剂和强极性溶剂中,便于树脂的加工应用。
图1为实施例1~3所合成的增韧聚三唑树脂(TPTA-1、TPTA-2和TPTA-3)固化物和未增韧聚三唑树脂(PTA)固化物的DMA曲线图。PTA的Tg为245℃,TPTA的Tg随着DPPEG的比例升高而降低,TPTA-1的Tg为223℃,TPTA-2的Tg为189℃,TPTA-3的Tg为160℃。
图2为实施例1~3所合成的增韧聚三唑树脂(TPTA-1、TPTA-2和TPTA-3)固化物和未增韧聚三唑树脂(PTA)固化物在氮气条件下测试的TGA曲线,其中虚线处表示固化物热失重5wt%。PTA的Td5为352℃,TPTA的Td5随着DPPEG的比例升高而降低,TPTA-1的Td5为354℃,TPTA-2的Td5为344℃,TPTA-3的Td5为324℃。
冲击测试和热学性能测试结果如表2所示。随着DPPEG所占比例的上升,TPTA相比PTA的韧性有了明显提高。
表2 PTA和TPTA的冲击测试和热学性能测试结果
图3(a)为未改性的聚三唑树脂(PTA)冲击断面SEM图片。图3(b)为实施例3所合成的增韧聚三唑树脂(TPTA-3)冲击断面SEM图片。改性前的聚三唑树脂材料断面光滑平整,裂纹方向单一,呈直线扩展。化学改性后的聚三唑树脂断面呈现明显的贝壳纹理。
本发明所述的端炔基聚乙二醇增韧的聚三唑树脂具有优秀的成型工艺特点,如树脂粘度低、溶解性好、固化时无小分子气体放出等。其固化物拥有良好的耐高温性能,相比较改性前,其韧性有了很大的提升,扩大了聚三唑树脂的使用范围。
以上所述仅是本发明的优选实施方法,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。
Claims (9)
2.如权利要求1所述的一种端炔基聚乙二醇增韧的聚三唑树脂,其特征在于,所述端炔基聚乙二醇与N,N,N’,N’-四炔丙基-4,4’-二氨基-二苯甲烷、联苯二苄叠氮的摩尔比为2:49:100、6:47:100或10:45:100。
3.如权利要求1所述的一种端炔基聚乙二醇增韧的聚三唑树脂,其特征在于,所述增韧聚三唑树脂固化物的抗冲击强度分别为61.09kJ/m2、70.65kJ/m2、72.92kJ/m2;
所述增韧聚三唑树脂的固化物Td5分别为354℃、344℃、324℃;
所述增韧聚三唑树脂的固化物Tg分别为223℃、189℃、160℃。
4.如权利要求1~3任一项所述的一种端炔基聚乙二醇增韧的聚三唑树脂的制备方法,其特征在于,在没有溶剂存在的条件下,所述端炔基聚乙二醇与所述N,N,N’,N’-四炔丙基-4,4’-二氨基-二苯甲烷以及联苯二苄叠氮混合熔融后进行反应制得增韧聚三唑树脂。
5.如权利要求4所述的一种端炔基聚乙二醇增韧的聚三唑树脂的制备方法,其特征在于,所述反应的温度为70℃;
所述单体熔融的时间为12min;
所述反应的时间为5min;
所述反应结束后,得到增韧聚三唑树脂。
6.如权利要求4所述的一种端炔基聚乙二醇增韧的聚三唑树脂的制备方法,其特征在于,树脂固化成型的操作为在80℃固化成型后,再在100~150℃下完全固化,更佳地包括下述步骤:先在80℃下保温12h即可固化成型,再依次经120℃保温2h、150℃保温2h固化完全。
7.如权利要求4所述的一种端炔基聚乙二醇增韧的聚三唑树脂的制备方法,其特征在于,所述端炔基聚乙二醇由如下方法制备而成:
在干燥的惰性气体保护下,将叔丁醇钾加入到聚乙二醇的四氢呋喃溶液中,其中聚乙二醇和叔丁醇钾的摩尔比为1:2.5;0℃下反应1h后,将溴丙炔逐滴加入到溶液中,其中溴丙炔和叔丁醇钾的摩尔比为1:1;滴加完毕后,0℃下反应30min,然后常温下反应24h;反应结束后,将反应混合物用饱和食盐水洗涤5次,保留有机层,经无水硫酸镁干燥,抽滤后在35℃下减压旋蒸,除去溶剂,得到端炔基聚乙二醇。
8.一种如权利要求6所述的制备方法制得的增韧聚三唑树脂固化物。
9.一种权利要求1所述端炔基聚乙二醇增韧的聚三唑树脂在航空航天、武器设备领域上的应用。
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