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[学位]

酚醛树脂热性能和力学性能的分子模拟研究

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边城 (边城.)

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酚醛树脂(PR)是最早人工合成的树脂之一,由于其原料易得,合成方便,以及具有良好的机械性能和低热导率,因此被广泛应用于航天和军事领域,是火箭、返回舱和导弹等设备的热防护体系中的重要基体树脂。现有的PR虽然具有良好的耐热性和耐烧蚀特性,但是仍然难以满足飞速发展的航天、国防工业等领域对PR耐热性和力学性能提出的越来越高的要求。目前,开发综合性能更优异的PR的难点主要在于PR固化结构中亚甲基和酚羟基等薄弱结构的存在,使PR的热分解温度和残炭率很难进一步提高,而采取缓减亚甲基和酚羟基分解的方式进行改性的策略则往往又会对其力学性能和加工性能产生负面影响。此外,固化后的PR不溶不熔,通过实验手段很难对其固化结构进行全面的分析,这使得对PR结构与性能关系的研究受到很大局限。
为了进一步提高PR的耐热性,需要迫切掌握PR的固化结构特征及其与PR热性能、力学性能之间的关系。现代分子模拟技术的迅速发展使我们得以从PR的微观结构出发,研究PR微观结构与宏观性能之间的关系。本研究综合采用实验和分子模拟手段,开展了以下几部分研究工作:
1)基于实验表征数据构建了一系列热塑性PR(novolac树脂)结构模型,研究了novolac中氢键和p-π/π-π作用等非键作用对酚羟基和酚环的空间分布特征、分子链构象及玻璃化转变温度(Tg)的影响。在典型的o-o’和o-p’型novolac体系中,前者体系中氢键比例很高,导致novolac分子链呈现更蜷曲的构象和更高的Tg,这有助于解释高邻位novolac树脂中羟基伸缩振动峰的红移现象。此外,基于MD拟合的受阻旋转链模型可以很好地描述这两种novolac体系的均方回转半径~聚合度关系及其随温度的变化规律。
2)通过自行撰写的建模脚本构建了一系列不同O/P比和不同交联密度的PR交联结构模型,研究了其中酚羟基和酚环的空间分布规律,以及交联结构中氢键和p-π/π-π作用等非键作用对PR的Tg和力学性能的影响。PR固化物的Tg随交联密度的升高而迅速升高的实验现象很可能归因于交联点结构对链段运动能力的限制,基于MD模拟结果拟合得到的Venditti−Gillham矩阵方程可以很好地解释、描述这一现象。O/P比较低的PR交联结构中存在更多分子链间氢键和p-π/π-π作用,因此其Tg和杨氏模量均稍高于O/P较低的体系。此外,PR固化过程中先收缩后膨胀的实验现象可能归因于交联结构中自由体积分数随交联密度的增加先升高后降低所致。
3)在高通量的模型/构象筛选(1800个构象→180个构象)的基础上,研究了模型大小、酚环连接方式、酚环取代基种类和数目等结构因素对PR中亚甲基两侧C-C键和酚羟基中C-O键强度的影响,并预测了这些结构因素对PR热稳定性的影响。研究结果表明,由于o-o’型结构中易形成分子内氢键,显著增加体系的热稳定性,因此o-o’型结构较之于o-p’和 p-p’型结构的热稳定性更好。酚环上的取代基种类和数目对亚甲基C-C键和酚羟基C-O键强度的影响较小,但对酚羟基、酚环和亚甲基的自由基反应活性有显著影响,其中三取代酚环自由基反应活性最小。这些结果有助于解释高邻位novolac树脂固化后耐热性能更好以及提高交联密度有益于提高PR热稳定性的实验现象。
4)为了研究硼酸改性PR和苯基硼酸改性PR树脂骨架中的硼酸酯结构对树脂热稳定性的影响,计算了硼酸酯结构及其邻近化学键(C-O、B-O和C-C键等)的键解离能,以及硼酸酯、酚羟基、亚甲基和酚环等官能团的自由基反应活性。引入硼酸酯结构不但可以提高邻近C-C键的键解离能,而且使其邻近的亚甲基反应活性显著降低,直接和间接地提高了树脂骨架的热稳定性。相比于硼酸酯结构,苯基硼酸酯结构降低酚羟基和亚甲基反应活性的作用并不显著,但由于苯基硼酸酯裂解后不会产生HO·,因此更有利于提高树脂的热稳定性。这些结论为理解含硼PR的结构与热稳定性关系以及进一步提高PR的热稳定性提供了可靠的理论依据。
5)通过构建一系列不同氧化程度和表面接枝不同含氧官能团的氧化石墨烯/PR(GO/PR)、石墨烯/PR(G/PR)复合材料模型,研究了novolac聚合度、PR交联密度以及GO表面含氧官能团的种类、数量对G/PR和GO/PR复合体系的Tg和应力应变行为的影响。结果表明,由于界面上存在大量的氢键和p-π/π-π等相互作用,使得G/PR和GO/PR复合材料呈现出比高度交联的PR更高的Tg和杨氏模量。由于石墨烯在片层平行方向具有更高的强度,使得G/PR和GO/PR复合体系在片层平行方向(相对于片层垂直方向)具有更高的杨氏模量。这些结果为石墨烯/PR复合材料的改性、制备和加工提供了可靠的理论依据。

Keyword:

分子动力学 酚醛树脂 力学性能 密度泛函理论 热性能

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  • [ 1 ] 西安交通大学理学院

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Basic Info :

Degree: 工学博士

Mentor: 井新利

Year: 2017

Language: Chinese

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