双马来酰亚胺树脂的改性及其复合材料性能研究

发布时间：2020-04-01 05:45

【摘要】：双马来酰亚胺树脂(Bismaleimides,BMI)是目前最有发展前景的耐高温热固性树脂,具有良好的耐热性、透波性和机械性能,可广泛用作先进树脂基复合材料的基体树脂,从而成为备受关注的高性能聚合物之一。但未改性的BMI树脂存在熔点高、加工性差以及固化物脆性大等缺点,其中韧性差是影响BMI树脂综合性能的主要缺陷,因此对于BMI树脂的增韧改性是当前的研究热点和重点。烯丙基类化合物共聚改性是目前最为成功的一种BMI增韧改性方法。本论文依据烯丙基化合物改性BMI树脂的反应机理,选择丁香酚(Eugenol,EU)这种生物质烯丙基酚类化合物为基础改性剂,合成了EU-BMI树脂体系作为对照组。然后分别将羟甲基和二苯基甲烷二异氰酸酯(4,4'-diphenylmethane diisocyanate,MDI)引入EU-BMI树脂体系,以期在保持树脂耐热性能的前提下,提高其韧性。具体研究内容如下:(1)为了增大EU-BMI树脂的交联密度,提高其耐热性,根据分子设计原理将羟甲基引入EU中,合成羟甲基化丁香酚(Hydroxymethylated eugenol,MEU),并与BMI单体共聚合成MEU-BMI树脂。采用FTIR和1H NMR等方法对其化学结构进行分析与表征,确认MEU-BMI的生成。DSC和流变测试分析MEU-BMI树脂的热加工行为,表明MEU-BMI树脂具有较宽的热加工窗口(74℃-160℃),可加工性良好;TGA测试表明与EU-BMI相比,MEU-BMI树脂的热稳定性明显提高;DMA测试表明MEU-BMI树脂的玻璃化转变温度为297℃,储能模量较低,说明韧性较好。另外还采用模压法制备了12k碳纤维增强MEU-BMI树脂基复合材料,测试了其在不同温度下的三点弯曲性能,结果表明:MEU-BMI树脂基复合材料在150℃下还表现出高的弯曲强度(231.9MPa)和弯曲模量(13.18GPa),力学性能优异。(2)MDI是一种良好的增韧改性剂,本文将MDI引进EU-BMI树脂体系中,合成了一种新型的MDI-EU-BMI树脂,以EU-BMI树脂为对照组,研究了树脂的热固化机理和耐热性,研究方法和手段同上。结果表明:与EU-BMI相比,MDI-EU-BMI树脂具有更好的热稳定性和韧性:初始分解温度为322.76℃,在900℃下的残碳量达到了39.65%,玻璃化转变温度为327℃;此外,以MDI-EU-BMI树脂为基体制备的复合材料力学性能优异,在15℃的高温环境下仍然表现出明显的抗弯特性。本论文设计并合成了两种耐热性、韧性及力学性等综合性能优异的新型烯丙基类化合物改性BMI树脂体系。
【图文】：

构中引入柔性链段，改变树脂的刚性分子结构，降低树脂的脆性，提高其韧性[I 有望成为提高 BMI 树脂韧性的合适改性剂。本文将 MDI 引入 EU-BMI 树脂体I 中的异氰酸酯基团与 EU 中的羟基通过亲核加成反应，，使 BMI 树脂保持中等的利于加工成型；并且高温下异氰酸酯基团和羟基在固化过程中有利于形成柔性韧性的提高。进树脂基复合材料年来，随着科技的不断进步与发展，对材料性能的要求越来越高，对于高强度量化的材料的需求日益迫切，人们开始开发和应用高性能复合材料[28]。先进树脂的出现能够弥补传统的单一组分的材料在理化、力学以及其他性能的缺陷，其具强度和比刚度、轻质高强度、结构尺寸稳定性好等优异的物理机械性能以及可设好的工艺性能，解决了工程领域中所用传统材料在实际应用中遇到的难题[29-30]。树脂基复合材料由于其易加工成型、抗化学腐蚀和耐低（高）温等突出优点而被高科技领域，特别是在国防、航空航天、汽车等领域，已经成为不可或缺的一类，如图 1-1 所示。

开发出集结构承载与功能一体的高性能树脂基复合材料。另外，纤具备很多优异的特性，比如良好的抵抗疲劳断裂性、耐化学腐蚀、料中添加一定的功能填料可以使其具备特殊的电磁屏蔽性能，从而了复合材料在加工生产、使用安装以及损坏维修等方面的巨大改变范围日益广泛，特别是在航空领域, 已迅速发展成为继铝、钢、钛之一[34]，纤维增强树脂基复合材料的使用对于提高飞机综合性能具成为标志飞机先进性的一个重要指标，对促进飞机装备的轻量化、要的作用[35-36]。是一种在许多方面均具有良好性能的纤维材料。碳纤维增强树脂基高抗疲劳性，低热膨胀系数和高强度重量比，是最先进的复合材料料被认为是航空航天领域高温应用的主要材料。如图 1-2 所示为碳在航空航天、汽车等领域的应用，比如 A380 机翼与机身，航空发维增强树脂基复合材料。随着应用领域的逐渐精细化，对纤维增强求越来越高，从而推动了对于此方面相关研究的深入[37]。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ323;TB33

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本文编号：2610056