含二茂铁的双邻苯二甲腈_苯并恶嗪树脂的合成
含苯并恶嗪单元的双邻苯二甲腈树脂及其复合材料的研究_左芳
在热或固化剂的存在下通过加成反应生成的一系列高 温热固性树脂。在他们开发的几种单体中,联苯二酚 型双端基邻苯二甲腈 ( BPH) 固化得到的材料具有 极好的热、氧稳定性; 其机械性能在高达 371 ℃ 时保 持长 时 间 稳 定,但 是 在 加 工 中 存 在 一 些 问 题[5 - 7]: ( 1) 单体熔融温度高 ( 235 ℃ ) ; ( 2) 加工温度窗口 窄 ( 15 ~ 20 ℃ ) ; ( 3) 固化温度过高; ( 4) 固化速
2 结果与讨论
2. 1 BZ-BPH 树脂单体的表征 首先,采用核磁共振波谱法对 BZ-BPH 的结构进
行了分析,图 1 是 BZ-BPH 的1 H NMR 图,图中出现 了噁嗪环上的两种亚甲基氢的特征峰[11],其中 δ =
第 39 卷第 6 期
左 芳,等: 含苯并噁嗪单元的双邻苯二甲腈树脂及其复合材料的研究
* 国家自然基金 ( 50903011) 资助 **联系人 liuxb@ uestc. edu. cn 作者简介: 左芳,女,1980 年生,讲师,博士,主要从事复合材料领域的工作。
苯并恶嗪树脂及其纳米复合材料的制备
苯并噁嗪树脂以其独特的结构和优良的性能,在众多领域的应用日趋成熟。
与酚醛树脂性能相比,苯并噁嗪树脂克服了传统酚醛树脂的缺点, 具有优良耐热性、阻燃性、绝缘性和物理机械性能的极具应用前景的树脂,大量的用在运输业、建筑业、军事业和采矿业等许多方面,对改变我国树脂行业落后面貌,赶超世界先进水平,具有重要现实意义。
1.1 苯并噁嗪树脂发展综述苯并噁嗪(BZ)是一类含杂环结构的中间体,一般由酚类化合物、胺类化合物和甲醛为原料合成的六元杂环,在适当的条件下能发生开环聚合反应,生成类似酚醛树脂结构的材料。
苯并噁嗪自1944 年,被Holly 和Cope 在合成Mannich 反应产物中意外发现以来, 人们研究了单、双(多) 官能团苯并噁嗪及类苯并噁嗪树脂,并将其用做太空飞行器的内装材料,其已成为了一个新的研究领域[1]。
近年来, 日本、韩国, 以及国内一些单位也相继开展相关研究。
Ishida 的研究工作十分活跃, 以二元酚、脂肪族伯胺和甲醛为原料, 合成了多种双苯并噁嗪中间体、对苯并噁嗪的热聚合反应动力学、固化过程中的体积膨胀效应、固化产物的氢键结构、热稳定性、阻燃性和介电性能等进行了较为广泛的研究, 发表论文30余篇。
四川大学高分子材料系自1993 年以来承担了国家自然科学基金和国家“九五”攻关项目等数项相关研究课题。
以酚、芳香族伯胺和甲醛为原料, 合成了多种类型的苯并噁嗪中间。
把苯并噁嗪的开环聚合反应研究作为突破口, 通过计算机分子模拟, 催化剂选择, 结构表征和动力学分析将理论研究与产品研制和应用开发紧密结合, 从宏观到微观取得一系列有价值成果。
最新报道说,已合成含乙炔基的聚苯并噁嗪,此树脂的耐热性可与炔基封端的聚砜和聚酰亚胺相媲美。
在国内,已将聚苯并噁嗪用做真空泵旋片材料和汽车刹车片材料,同时也大量的用在运输业、建筑业、军事业和采矿业等许多方面。
近年来,对苯并噁嗪/层状硅酸盐纳米复合物的研究成为该领域中的一个新热点[2]。
含苯并恶嗪_双邻苯二甲腈树脂及其复合材料的制备与性能_刘孝波
含苯并噁嗪-双邻苯二甲腈树脂及其复合材料的制备与性能Preperation and Properties of Bisphthalonitrile Containing Benzo xaine Resins and Its G lass Fiber/Carbone N anotube Reinfo rced Com posities刘孝波,钟家春,贾 坤,陈文瑾,左 芳(电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室先进功能材料研究室,成都610054)LIU Xiao-bo,ZH ONG Jia-chun,JIA Kun,CH EN Wen-jing,ZUO Fang(Reach Branch of Advanced Functional M aterials,State Key Labo ra to ryof Electro nic Thin Films&Integ rated Devices,Univer sity of ElectronicScience and Techno logy of China,Cheng du610054,China)摘要:本工作通过以4-氨基苯氧基邻苯二甲腈,双酚A,甲醛为原料,二氧六环为溶剂,甲苯为脱水剂合成了含苯并噁嗪-双邻苯二甲腈,采用腈基二元胺为交联剂在160o C制备预聚物树脂,经丙酮溶解并分散碳纳米管再浸渍玻璃布获得预浸料,经热压成型后热处理制得玻璃纤维/碳纳米管/双邻苯二甲腈树脂复合材料,详细研究了树脂的合成及其固化反应.该类树脂及复合材料具有较好的力学性能,热稳定性能,碳纳米管的加入可以协同增强玻纤复合材料,同时改善其导电性,并赋予复合材料新的吸波特性。
关键词:邻苯二甲腈树脂;复合材料;制备;性能;电磁波吸收;碳纳米管复合材料文献标识码:A 文章编号:1001-4381(2009)Suppl2-0164-05A bstract:The bisphthalo nitrile containing benzox aine w as synthesized by4-aminobo xy l phthalo nitrile, bisphenol A and fo rmadehyde in solutio n,the prepoly mer and cured po ly mers w ere prepared at high temperature and diamine as crosslinking agent.The curing reactions w as investig ated by DSC and dy-namic reho logic behavior s.The g lass fiber reinforced composites co ntaining different M WN T content w as fibricated.T he o btained co mpo sites have g ood heat-resistance,high strength,g ood electric con-duct and m agne tic w av e absoptions at2-18GH z.Key words:bisphthalonitrile;composite;preperatio n;properties;magnetic w ave absoptio ns 邻苯二甲腈聚合物属于酞菁聚合物的前驱物,最初的研究始于20世纪50年代末期,M arvell和M ar-tin试图制备一种具有交联网状结构的酞菁聚合物[1]。
含苯并恶嗪单元的双邻苯二甲腈树脂及其复合材料的研究
水率 ;利用 T A及 D G MA分析 了材料 的热性能 ;同时采用 S M对复合材料 的断面进行 了表征 。结果表 明,该 复合材料 E 具有优 良的热稳定 性 ,在氮气和空气 中的 5 %分解温度分别是 ,40℃处理 3 n后弯 曲强度的保持率 为 9 % ,沸水 0 0mi 7
c td t a e c mp s e e h b t d e c l n e ma r p r . T e 5 ls mp r t r n a r n i o e a a e h t h o o i x i i x el t h r l o e t t t e e t p y h % o st e e a u e i i a d nt g n w s r 5 2、n 8 4 a d 4 2,r s e t ey T ef x r ls e g h r t n in wa a trt ae t 0 C fr 0 mi n h e p c i l . h e u a t n t ee t s 1 fe e t d a 0 o o n a d t e v l r o 9 % r 4 3 wae b o p in wa e s t a . % at rs a i g i ol g wae r2 o r . t ra s r t s ls h n 1 4 o f o k n n b i n t rf 4 h u s e i o Ke wo d :B s h h ln ti y r s ip t ao i l B n o a i e; G a s F b r C mp sts T e ma t bl y r e; e z x z n l s i e ; o o i ; h r lS a i t e i
二胺型苯并恶嗪树脂的合成及其复合材料制备
二胺型苯并噁嗪树脂的合成及其复合材料制备苯并噁嗪树脂凭借较高的性价比优势、优异的综合性能、突出的成型加工性能等特性已然成为现有热固性树脂中的新秀,其制品已被运用到宇航、电子信息、交通、建筑等领域中。
其中,具有更高热稳定性和力学性能的芳香族二胺型苯并噁嗪倍受人们推崇,发展潜力巨大。
但是,该类型的苯并噁嗪存在合成时易产生不溶性物质、多数需要使用碱性物质进行调控以及繁杂的后处理等难点和局限性,大大阻碍了其在工业中的发展和应用。
因此,积极研究探索高性能芳香族苯并噁嗪的合成及其复合材料,在助推苯并噁嗪应用和工业化进程方面具有重要意义。
本文从工业生产角度出发,以丰富廉价的苯酚、二苯甲烷二胺为主要原料,通过研究制定了一种简便、合理的合成工艺,解决了上述难点和局限性。
以FTIR、1H-NMR、GPC和DSC等表征了产物结构和性能,并且成功进行了实验室放大,产物结果稳定。
为了制定合理的固化机制,以便得到性能良好的制品。
首先,以FTIR、DSC 研究了苯并噁嗪的固化过程。
DSC表明150℃以下很难固化,直至200℃时固化仍未完全,FTIR表明固化生成了酚羟基曼尼希桥结构。
其次,由非等温DSC分析得出了理论固化温度,即起始固化温度为213.62℃、恒温固化温度为222.79℃、后处理温度为233.34℃。
最后,通过制定的固化机制,制得了外观品质较好的浇注体,并研究了固化物的性能。
DSC表明苯并噁嗪已固化完全,其玻璃化转变温度高达185℃;TGA表明产物的热稳定性能良好,300℃以上才发生分解,热失重5%和10%时的温度分别为345.79℃和392.29℃,800℃下的残炭率高达52.50%;DMA表明浇注体的动态热性能良好,玻璃化转变温度高达211.06℃;介电性能表明浇注体的介电性能优异,介电常数和介电损耗因子分别为 2.13和0.0057。
针对苯并噁嗪固化困难,本文对合适的固化催化剂的选择进行了研究。
凝胶时间和DSC表明,己二酸、咪唑和无水氯化铝均有显著催化作用。
苯并恶嗪树脂的合成及性能分析
2 苯并噁嗪树脂合成及其性能分析
2.1 耐热型苯并噁嗪的合成及性能分析 所谓的耐热型苯并噁嗪是通过烯丙基的引入,得到
较 大 交 联 密 度 的 苯 并 噁嗪 树 脂 ,然 后 引 入 带 有 阻 燃 性 质 的 磷 元 素 ,将 其 合 成 阻 燃 性 能 和 耐 热 性 能 均 良 好 的
首先在制备苯并噁嗪单体时 BZ-C12、BZ-C14、BZC16、BZ-C18 时先在 250 mL 的四口烧瓶中加入壬基酚与 十二胺、十四胺、十六胺以及十八胺,在 80 益条件下加 以搅拌后加入 3 g 的多聚甲醛并升温至 110 益,待其反 应 4 h 后得到单体初产物,随后利用乙酸乙酯溶解和 NaOH 洗涤,以及离子水洗涤和无水 Na2SO4 干燥,当溶 剂蒸发后真空干燥 12h 后得到淡黄色的黏性物质,即 目标产物。然后在制备单体聚苯并噁嗪 PBZ-C12、PBZC14、PBZ-C16、PBZ-C18 时采用的是程序升温聚合反应, 即在 180 益、200 益、220 益、240 益、260 益条件下分别反 应 2 h、2 h、2 h、2 h、1 h,以此得到目标产物。最后经测试 与表征发现,目标化合物合成成功,苯并噁嗪的开环固 化所需温度较高,聚合产物属于线性树脂,且当烷烃链 的增长时玻璃化温度降低。 2.3 与环氧树脂共混改性后的性能分析
第 43期9 卷 第 4 期 2019 年 8 月
冶金与材料
Metallurgy and materials
Vol.39 No.4 August 2019
苯并噁嗪树脂的合成及性能分析
谢剑清
(广东同宇新材料有限公司,广东 肇庆 526241)
摘 要:苯并噁嗪树脂是在普通酚醛树脂基础上衍生的一个新品种,由于制品孔率低、收缩趋近零、阻燃性高、 耐热性好,且有着优于环氧树脂的物理机械性能,故备受关注,前景广阔。对此,笔者对苯并噁嗪树脂的合成和 性能做了分析和探讨,以供参考。 关键词:苯并噁嗪树脂;合成;性能
苯并恶嗪合成方法与合成路线
综述:苯并噁嗪的合成方法与合成路线苯并噁嗪化合物,其命名为3,4-二氢-3-取代基-2H-1,3-苯并噁嗪(3,4-dihydro-3-substituted-2H-1,3-benzoxazine)。
它是一种由酚类化合物、甲醛和伯胺经缩合反应得到的化合物,其反应方程式如下:OH+RNH2+2CH2ONOR'+2H2OR R在加热或路易斯酸的作用下发生开环聚合,形成结构上类似于酚醛树脂的固化产物,其反应方程式如下:NOR'R R OHR'OHR1.苯并噁嗪树脂的研究概况苯并噁嗪化合物最早是在1944年,由Holly和cope意外发现的。
当时是以邻经基苯甲胺和甲醛为原料进行Mannich反应产物合成时,分离出的一种白色晶体。
测定其熔点为154一155℃,并用元素分析的方法对其进行了结构测定。
1949年,美国人W.J.Burke等对苯并噁嗪的合成反应进行了较为系统的研究,他们采用对位取代酚、伯胺和甲醛(多聚甲醛)在二氧六环溶液中进行反应,合成出一系列噁嗪化合物,并在此基础上对苯并噁嗪的合成进行了深入的研究,发现反应物的配比将直接影响到产物的结构。
七十年代初,Schreibe申请了苯并噁嗪预聚物同环氧树脂热固化制造电器绝缘材料的专利,并研究了苯并噁嗪在粘合剂以及玻璃纤维增强材料方面的应用。
自此,人们对苯并噁嗪研究的兴趣明显增强。
1985年,Higginbottom申请了两个关于聚苯并噁嗪涂料的专利,并且对苯并噁嗪预聚体合成反应的影响因素以及胺类化合物碱性对苯并嗓嗓预聚体固化行为的影响进行了粗略的研究。
此外,Grbarmik研究了苯并噁嗪在酚醛树脂固化剂方面的应用。
Riess等研究了单官能团苯并噁嗪的固化反应,结果发现,热固化产物平均分子量只有1000左右。
在链增长的同时,存在着单体的热分解反应,因而不能得到高分子量的线形聚合物。
1990年以来,美国Case Western Reserve大学H.Ishida等以双酚A为酚源,合成出双官能团苯并噁嗪化合物,并对其固化机理、物理和力学性能、耐湿热性能、体积效应和热分解性质等进行了相当详尽的研究,将苯并噁嗪的研究和应用推向了一个新的阶段。
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热固性树脂 Thermosetting Resin
第 25 卷第 3 期 2010 年 5 月 Vol. 25 No. 3 恶嗪树脂的合成
魏俊基,刘孝波*
( 电子科技大学微电子与固体电子学院先进功能材料实验室,四川成都 610054)
摘 要: 以联苯二酚,4 - 氨基苯氧基邻苯二甲腈,二茂铁甲醛为原料,采用缩聚反应制备了含二茂铁的双邻苯 二甲腈 - 苯并恶嗪树脂( FPNBZ) 。通过核磁共振( 1 H NMR,13 C NMR) 、红外光谱( FTIR) 、DSC、TGA 对合成的
Abstract: The bisphthalonitrile - benzoxaine containing ferrocene ( FPNBZ) was prepared by polycondensation from 4,4'- dihydroxylbiphenyl ,4 - aminophenoxylphthalonitrile and ferrocene - formaldehyde. The structure and thermal behavior of FPNBZ and thermal properties of the cured product( FPNBZR) were investigated by 1 H NMR, 13 C NMR,FTIR,DSC and TGA. The results showed that FPNBZ had wide processing temperature range( 74 ℃ ) . FPNBZR had good heat resistence. The initial decomposition temperature and the char yield at 600 ℃ of FPNBZR was 353. 38 ℃ and 45% respectively. Key words: ferrocene; bisphthalonitrile - benzoxazine resin; synthesis; thermal property
0引言 含有机金属结构的聚合物因其具有丰富的化学
结构和特殊的物理性能而得到广大科研工作者的青 睐。这类化合物可以被广泛地应用在离子或电子交 换树脂、耐辐射聚合物、阻燃聚合物、催化剂、有 机半导体,光电半导体材料和铁磁性材料。含二茂 铁的聚合物具有优异的热稳定性和化学稳定性,这 些性能使得二茂铁类聚合物被应用在具有特殊功能 的耐热材料之中。主链和侧链含有二茂铁的聚合物 因其结构特殊性受到了人们的关注[1 ~ 5]。
含二茂铁的双邻苯二甲腈 - 苯并恶嗪单体的结构、热行为及固化物( FPNBZR) 的热性能进行了研究。结果表明,
FPNBZ 的加工温度窗较宽,达到 74 ℃ ,FPNBZR 具有较好的耐热性,初始分解温度为 353. 38 ℃ ,600 ℃ 残重达
到 45% 。
关键词: 二茂铁; 双邻苯二甲腈 - 苯并恶嗪树脂; 合成; 热性能
【收稿日期】2009 - 12 - 13; 【修回日期】2009 - 01 - 18 【作者简介】 魏俊基( 1984—) ,男,甘肃武威人,硕士研究生,研 究方向为功能高分子材料。 * 通讯联系人
第3 期
魏俊基等: 含二茂铁的双邻苯二甲腈 - 苯并恶嗪树脂的合成
·7·
能树脂。
1 实验部分
1. 1 实验原料 4 - 氨基苯氧基邻苯二甲腈: 自制[16]。联苯二
航天工业的发展对高分子材料提出了新的要 求: 更高的耐热性和特殊的性能。邻苯二甲腈类高 分子材料由于其具有优异的耐热性、抗氧化性、高 残炭、较好的化学惰性、耐磨性和阻燃性等优点, 而广泛应用在航天工业领域[6 ~ 12]。但是在加工这 类材料过程中遇到了一些问题,如由于这类材料熔
点较高,因而加工温度很高,导致在应用过程中处 理不便,因此科研工作者们尝试着把新的官能团引 入邻苯二甲腈聚合物结构中,以期得到熔点低而耐 热性好的新型高分子材料。近年来,酚醛树脂家族 中的苯并恶嗪类高分子材料受到了极大的关注。这 类材料具有很多优点,包括低熔点,在加工过程中 不释放小分子,不需要很苛刻的催化剂,热稳定性 高,良好的机械加工性能,极其优异的电性能和方 便的分子设计性能[13 ~ 15]。因此为了得到低熔点的 双邻苯二甲腈树脂,本文主要合成了含有二茂铁基 团和苯并恶嗪环结构的双邻苯二甲腈树脂,期望获 得具有较低熔点和低固化温度的高热稳定性的多功
酚: 分析纯,北京杨村化工有限公司; 二茂铁甲 醛: 分析纯,四川添彩精细化工有限公司。 1. 2 含二茂铁邻苯二甲腈 - 苯并恶嗪单体( FPNBZ) 的合成
将 23. 4 g 的 4 - 氨基苯氧基邻苯二甲腈,9. 3 g 联苯二酚,41. 8 g 二茂铁甲醛溶于 100 mL 1 - 4-二 氧六环 中,然 后 放 入 带 有 搅 拌 器、冷 凝 管 的 250 mL 的三颈瓶中,在 N2 保护下,升温至 110 ℃ ,恒 温搅拌 5 h。将最后的反应溶液倒入去离子水中充 分搅拌、沉淀、抽滤,并用去离子水和乙醇经多次 洗涤,在真空烘箱 70 ℃ 烘干,得到褐色产物,见 式 1。
树脂的流变固化行为是在空气气氛下采用 TA 公司的 AR - G2 高级旋转流变仪测量的,升温速率 是 10 ℃ / min,频率 10 Hz。 2 结果和讨论 2. 1 FPNBZ 及其固化物( FPNBZR) 的结构表征
1 H NMR 谱和13 C NMR 谱都证明了 FPNBZ 的结 构( 如式 1 所示) 。1 H NMR 谱图如图 1 所示。
图 3 FPNBZ 单体的红外光谱 Fig. 3 FTIR spectra of FPNBZ
图 4 是 FPNBZR 树脂的红外光谱图。
图 4 FPNBZR 树脂的红外光谱图 Fig. 4 FTIR spectra of FPNBZR
随着处理温度的改变,在 948. 75,1 500. 58, 1 465. 09,1 322. 97,2 226. 7,1 654 和 3 275 cm - 1 处的 吸 收 峰 发 生 了 较 为 明 显 的 变 化。 由 于 在 3 370. 10 cm - 1 观 察 到 了 酚 羟 基 的 吸 收 峰, 同 时 2 226. 7 cm - 1 处氰基的吸收峰强度的减弱,以及在 1 654 和 3 275 cm - 1 处分别出现了—C == N—和 N— H 的伸缩振动吸收峰,都证明了恶嗪环的开环和— CN 基团参与了聚合反应。同时也发现在这类树脂 固化过程中存在着多重固化机理。式 2 是树脂的热 催化固化过程。 2. 2 DSC 和 TGA 分析
中图分类号: TQ323
文献标识码: A
文章编号: 1002 - 7432( 2010) 03 - 0006 - 04
Synthesis,characterization and properties of bisphthalonitrile - benzoxaine containing ferrocene units
图 1 FPNBZ 的1 H NMR 谱图 Fig. 1 1 H NMR spectrum of FPNBZ
4. 28 和 4. 83 处的共振峰归结为 FPNBZ 中恶嗪 环中亚甲基质子。在芳香族频段 4. 54 出现的显著的 共振峰对应于二茂铁中的 CH2 ,同时单体的结构也 通过13 C NMR 得到了印证,相应的化学转移见图 2。
图 2 FPNBZ 的13 C NMR 图 Fig. 2 13 C NMR spectrum of FPNBZ
由此可见样品元素分析的计算值和观察到的数 值很好地吻合,从而证实了产物的结构。
图 3 是 FPNBZ 单 体 的 红 外 光 谱 图。 在 2 231 cm - 1 出现了氰基吸收峰,与恶嗪环相连的三 取代苯环的特征吸收峰出现在 1 503 和 951 cm - 1 。 在 1 247 cm - 1 是 C—O—C 的反对称伸缩振 动 峰,
FPNBZ 单体可以被热催化聚合。单体分别在 200 ℃ 处理 2 h,220 ℃ 处理 2 h 和 250 ℃ 处理 3 h, 最终得到完全交联的固化物。 1. 4 表 征
单体和 树 脂 的 结 构 是 用 Shimadzu FTIR8400S 红外光谱通过 KBr 压片进行表征。FPNBZ 的熔点 和热固化行为研究是利用 TA 公司的 DSC - Q100
WEI Jun - ji,LIU Xiao - bo* ( Institute of Microelectronic & Solid State Electronic,State Key Laboratory of Electronic Thin Films & Integrated Devices,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China)
图 5 是单体的热聚合反应过 程 的 DSC 曲 线。 从 DSC 曲线 可 以 观 察 到 FPNBZ 的 熔 点 是197 ℃ , 固化峰出现在 250 ~ 300 ℃ ,峰 顶 温 度 是271 ℃ , 因此这类材料较联苯型双邻苯二甲腈树脂具有较宽 的加工温度窗( Twindow ) 。
图 6 是固化物的 TGA 曲线。从图中可以看到 聚合物在空气中的起始分解温度 ( Tid ) 353. 38 ℃ , 热失重 5% 和 10% 对 应 的 温 度 分 别 是 437. 5 和 504. 59 ℃ ,600 ℃ 在空气中的残重 45% 。分解过 程包含 2 个阶段,分别发生在 383 和 423 ℃ 。这种
进行测试,升温速率 10 ℃ / min,N2 气流50 mL / min。 固化树脂的热分解性能是采用 TA 公司的 Q50 热重 分析仪得到,加热速率 20 ℃ / min,空气气流为 50 mL / min。
1 H NMR 和13 C NMR 谱图是通过 Bruker AV400 核磁共振谱仪( NMR) 在 400 MHz 下测量的,CDCl3 作溶剂。