苯乙炔封端全对位多醚型聚酰亚胺树脂及其碳纤维复合材料的研究

发布时间：2020-08-19 18:06

【摘要】：复合材料的树脂基体分为热塑性和热固性两种。热塑性树脂力学性能优异,具有较高的使用温度,但由于其分子量较高,导致熔体粘度较大,在溶剂中溶解度较差,不易加工成型;热固性树脂分子量较低,在结构中一般含有反应活性基团,在外界的刺激下会引发交联反应使分子量上升,热氧化稳定性和机械强度都大幅度提高,是理想的复合材料基体树脂,如环氧树脂和PMR型树脂。聚酰亚胺是一种耐高温、高强度、绝缘、低热膨胀系数、无毒的高性能聚合物。在上世纪90年代,美国政府实施民用高速飞行器计划(HSCT),NASA的研究人员在对苯乙炔封端聚酰亚胺充分研究后发现,这类树脂可以兼顾加工成型,热学和力学性能三者之间平衡,作为可以应用于飞行器上的材料而被重点开发。树脂传递模塑成型(RTM)是制备大型部件的首选工艺技术,因为其加工成本较低,生产效率较高,解决了先进复合材料制备高成本的难题。但是RTM技术要求树脂具有较低的熔体粘度和较高的熔体粘度稳定性,因此研究出兼具优异的热学和力学性能以及较低熔体粘度的树脂是现如今研究的重点。目前,为了降低树脂的熔体粘度,普遍的方式是在分子链中引入非对称、非平面结构,或者大体积侧基结构,或者将聚合物设计成支化结构,虽然这些结构可以有效的改善树脂的加工性能,但是含有这些结构的单体合成过程十分复杂,难以大量获得,也就无法实现真正的生产化。由此,本论文的设计思想是制备一种苯乙炔封端聚酰亚胺,使其在交联前具有优异的加工性能(低熔体粘度和高有机溶剂溶解度),交联后具有较高的热稳定性和力学性能,同时单体原料制备简单、易得。因此本文选用两种对位结构的二胺单体,2,2-双[4-(4-氨基苯氧基)苯基]六氟丙烷(6FBAPP)和2,2-双[4-(4-氨基苯氧基)苯基]丙烷(BAPP),分别与4,4’-联苯醚二酐(ODPA)和4-苯乙炔苯酐(PEPA)制备苯乙炔封端全对位多醚型系列聚酰亚胺树脂。通过单体中较多的醚键来增加分子链的柔性,以降低树脂的熔体粘度。首先对此类型树脂进行综合性能评价,然后对比三氟甲基和甲基的引入对树脂性能的影响。测试结果表明,该类型树脂均具有较低的熔体粘度和较高的熔体粘度稳定性,其中Oligo-6F-2和Oligo-2的熔体粘度最低,均在5Pa?s以下,在310℃可以保持较长时间的熔体粘度稳定,说明Oligo-6F-2和Oligo-2可以利用RTM技术制备复合材料。同时,所有预聚体在有机溶剂中的溶解度较高,有益于预浸料的制备。固化后树脂的综合性能优异,其中Oligo-6F-2固化后的T_g为276℃,高于PETI-5的T_g(270°C),T_(d5%)达到520℃以上,拉伸强度高于80MPa。此类型热固性树脂具有优异的综合性能,其中含氟树脂在溶解性能和热学性能方面更加突出。在对树脂进行评价后,依据实验室现有的实验条件,我们选用Oligo-6F-4和Oligo-4作为基体树脂与碳纤维增强材料复合制备了复合材料,并对其力学性能进行研究。测试结果表明,两种复合材料CF-4和CH-4的拉伸性能、弯曲性能和层间剪切性能均十分优异。在对复合材料进行了老化实验后,其力学性能并未呈现下降的趋势,展现了优异的抗老化性能。随后利用扫描电镜对复合材料的断面进行观察,发现树脂对纤维有较强的浸润性,且二者的结合能力较强。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ323.7;TB332

【参考文献】