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[学位]

酚醛树脂的结构、热裂解和热膨胀性能研究

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Author:

王勇 (王勇.)

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学位论文库

Abstract:

由于具有众多优异的性能,酚醛树脂(PR)及其复合材料已是工业领域应用最广的耐烧蚀材料。但快速发展的现代科技要求PR及其复合材料具有更好的热稳定性,如更高的热分解温度和成炭率以及较低的热膨胀系数。为开发具有良好热稳定性的PR及其复合材料,本文针对PR,尤其是Novolac树脂的结构与性能之间的关系展开了深入的研究,其中性能主要包括耐烧蚀性能和热膨胀性能。在了解PR结构与性能关系的基础上,合成了具有良好热稳定性的含硼热塑性酚醛树脂(BNPR),并研究了含硼化合物的引入对树脂热稳定性的影响规律。本文的主要研究工作和所得到的结论如下。
(1) 通过对Novolac树脂的结构、固化过程及其固化树脂的结构的研究,明确了PR齐聚物的结构信息以及HMTA固化Novolac树脂的固化机理。通过表征Novolac树脂的结构,认识到PR齐聚物中除了含有酚环和亚甲基两种典型的官能团外,还含有少量的芳基醚、羰基和甲氧基等含氧官能团,并明确了树脂中含各种官能团分子的含量。在固化过程中,Novolac树脂会与HMTA受热分解放出的甲醛和二羟甲基胺发生反应,当HMTA用量较小时主要是甲醛参与反应而形成亚甲基,当HMTA用量较大时较多二羟甲基胺参与反应而形成含氮亚甲基。
(2) 通过分析热裂解过程的失重量和裂解残留物的结构,认识到Novolac及其固化树脂的热裂解过程同时满足三段式裂解机理和氧化裂解机理,阐明了不同取代数的酚环的所占比例是影响固化树脂热稳定性的直接原因。提高PR固化树脂的交联密度可以减少裂解过程中苯酚及其衍生物的释放量,同时能降低PR中官能团的裂解反应活性,提高了树脂的热稳定性。基于PR固化树脂的交联密度和其中不同取代数目酚环的含量,建立了交联密度和裂解残留物质量保留率之间的方程,该方程可用于定量说明树脂的结构与性能之间的关系。
(3) 从分子设计的角度出发,以羟甲基苯基硼酸和Novolac树脂为原料,通过水热法合成了具有良好热稳定性的BNPR树脂,明确了树脂结构及其结构与性能之间的关系。所合成的BNPR树脂保留了Novolac分子的基本骨架,同时通过B-C键将硼酸结构与PR骨架相连,既有传统Novolac树脂良好的工艺性,又表现出极高的热稳定性,其成炭率显著提高。BNPR受热后会生成B-O-B或B-O-C结构而在树脂中形成三维交联网络,所得到的固化树脂在一定条件下可以被降解而回收利用。硼元素的引入有利于提高树脂的热分解温度和成炭率,这主要得益于BNPR中的硼酸结构能提高固化树脂的交联密度,而且能降低树脂在成碳过程中小分子的释放量。
(4) 通过研究PR固化树脂的热膨胀规律以及树脂的结构对其热膨胀系数的影响,在明确非晶态交联高分子的热膨胀机理的基础上进一步研究了PR基复合材料(PRMC)的热膨胀系数随温度和组成的变化规律。通过分析PR固化树脂的热膨胀系数与温度的关系,将非晶态线性高分子的状态方程推广到交联高分子体系,并由此建立了描述PR固化树脂热膨胀系数与温度之间关系的方程,修正了自由体积理论中玻璃态高分子热膨胀系数不随温度变化的观点。通过分析不同组成PRMC的热膨胀系数随温度变化的规律,充分考虑复合材料中界面层的作用,建立了可准确预测复合材料热膨胀系数随组成变化规律的方程。
(5) 通过表征Novolac及其固化树脂氧化产物的结构,明确了PR在氧化性条件下的结构转变规律,为PR和PRMC的表面改性提供了理论依据。酚羟基和亚甲基是Novolac树脂中稳定性较差的官能团,容易被氧化而得到酮式和醌式结构,其中酮式结构容易被进一步氧化而破坏树脂的分子链。通过分析Novolac在不同条件下的氧化处理效果,优化氧化处理的条件,筛选出了适合于PR及其复合材料的表面氧化处理条件。表面氧化处理后会增加PRMC的表面亲水性和粗糙度,这主要归因于基体树脂被氧化而生成更多亲水性官能团和无机物颗粒裸露于复合材料表面两个方面。

Keyword:

酚醛树脂 结构与性能 热裂解 热膨胀 氧化稳定性

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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: 2015

Language: Chinese

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