抗烧蚀聚芳基乙炔树脂研究进展

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的成炭率
实验成炭 率/ % 90~ 96 81 88~ 90 91 5~ 55
乙炔树脂进行改性, 结果表明, 在不降低成炭率的 情况下 , 明显改善了聚芳基乙炔树脂与碳布的粘结 性能, 改性后的碳 / 聚芳基乙炔复合材料的剪切强度 由 5 5 MPa 提高到 11 MPa 。针对聚芳基乙炔树脂 的上述缺点, 国内外一些研究人员对其进行了改性。 日本 Itoh[ 13] 等人制备了含硅氢基团的芳炔基树脂 ( 称 为 MSP) , 研究表 明固 化树脂 的热分 解温 度高达 860 , 该类树脂在 1 000 以上开始陶瓷化, 陶瓷 化率 很高 , 而且 它 的弯 曲 强 度、模 量在 200 、 400 基本不变, 甚至略有提高。法国 Buvat[ 14] 等人 也制备了黄色黏液苯乙炔封端的含硅氢树脂 ( 称为 BJL 树脂) , 固化树脂的分解温度接近 495 , 比酚 醛树脂高出 120 左右。为了改善聚芳基乙炔树脂 与碳布的界面粘结性能, 汪明[ 15] 等人通过在聚芳基 乙炔树脂中加入 Y- 1 树脂改性剂, 明显改善了与 碳纤维的界面性能 , 复合材料的界面剪切强度提高 了 40% ~ 50% , 层间剪切强度提高了将近一倍, 烧 蚀性能与未改性树脂基本相当。 华东理工大学陈麒 使用苯硅烷和间二乙炔 基苯为原料 , 合成了聚苯硅二乙炔基苯( M SP) 。合 成方法有两种, 一种是使用氧化镁作催化剂的脱氢 聚合反应, 反应方程式为:
百度文库
第4期
袁海根等 : 抗烧蚀聚芳基乙炔树脂研究进展
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2 2 低压成炭性能 PAA 树脂交联固化后低压热解成炭率 通常大 于 80% , 表 1 列出了几种芳基乙炔的成炭率 , 其 中单炔芳烃由于只能形成线性聚合物, 实验成炭率 很低 , 它们通常作为封端基和二炔芳烃共聚 , 这时 的成炭率依然很高。 2 3 耐环境能力

1 2 2 共轭双烯型 2 个单体的端炔键打开后结合成共轭双烯, 由 于共轭效应使电子云均布在 4 个碳原子周围 , 使得 分子形成硬棒状结构 , 结晶度和定向性很高 , 因而 具有优良的导电、导磁性能 , 但耐高温性能稍差 ,
图 1 PAA 树脂的流变性能和固化放热 ( 升温速率 1 / min)
其侧链中的未反应炔基可进一步交联成网状结构。
1 2 3 聚烯网络型 这是内乙炔基芳烃的聚合反应, 聚合过程可以 是分子内反应 , 也可以是 2 个内乙炔 基打开后交 联 , 均形成 1 种聚烯网络结构, 这种树脂同样有很 高的热解成炭率[ 9] 。 1 2 4 氧化偶合型 聚合过程将 脱去一分子氢 , 其含碳量 是所有 PAA 中最高的 , 分子链中的仲乙炔基可以进一步 交联成网络结构[ 2, 7] 。 2 聚芳基乙炔的性能 据文献[ 10] 报道, 聚芳基乙炔是 1 种高度交联 的芳族 亚 苯 基聚 合 物, 材料 中 可挥 发 物 含量 仅 10% , 理 论 成 炭 率 高 达 90% , 吸 水 率 0 1% ~ 0 2% , 仅为酚醛树脂 的 1/ 50( 酚醛树脂吸水率为 5% ~ 10% ) ; 而且固化反应为加成聚合反应, 无低 分子物逸出。其主要特点是玻璃化温度高 , 热解温 度高 , 热解峰温度为 800 , 热解产物主要是 H 2 , 而酚醛树脂的热解峰温度仅为 500 , 热解产物为
[ 3, 8]
高分子质量烃和含氧化合物。 2 1 工艺性能 复合材料用基体 树脂必须具有优良的工艺性 能。工艺窗口要尽可能宽; 熔融时黏度要低或可溶 于普通溶剂 ; 纤维浸润性好。从上述工艺性能可看 出 , 它已适合于某些复合材料工艺。这些年来各国 对此又作了较大 改进, 图 1 示出了美 国宇航公司 PAA 树脂的流变性能和固化放 热。该树脂常温下 为固体粉末 , 50 时开始软化 , 75 达到最小黏 度 , 100 开始固化放热 , 120 为放热峰 , 75~ 90 是 1 个优良的浸渍工艺窗 , 可保证在固化反 应前充分渗入纤维丝束。
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。 自 20 世 纪
Bilow 等首次提出采用芳基乙炔聚合物作为碳/ 碳 复合材料的浸渍剂, 以取代传统使用的沥青 , 芳基 乙炔聚 合物的研究引 起了各国的广 泛重视。 1995 年 Kat zman
[ 3]
等报道了采用芳基乙炔聚合物火箭发
动机的耐烧蚀材料, 这进一步表明了芳基乙炔聚合 物在高技术领域具有广阔的应用前景[ 4, 5] 。 1 芳基乙炔单体及其聚合物的合成 1 1 芳基乙炔单体的合成 目前芳基乙炔单体的合成方法主要有芳基乙烯
[ 2] [ 1]
卤化- 脱卤化氢法 , 芳烃酰化法和三甲基硅乙炔法。 1 1 1 芳烃酰化法 首先用酰氯使苯酰化, 制得二乙酰基苯, 然后 用维尔斯梅尔 ( Vilsmeier) 试剂 ( 二甲基甲酰胺 + 三 氯氧化磷 ) 处理 , 制得中间产物 3, 3 - 间亚苯基 二 ( 3- 氯 , 2 - 丙烯 醛 ) , 再 用 二氧 杂 环 己烷 和 NaOH 脱羰和脱卤化氢 , 制得的二乙炔基苯 ( DEB) 用醚进行萃取。这种制法所用试剂比较昂贵, 且对 反应条件敏感, 工艺上不易放大 , 操作复杂, 产率 又较低 , 因此只限于实验室应用。 1 1 2 三甲基硅乙炔法 这种方 法以 二溴 苯为 原材料 ( 二碘 苯多 副反 应) , 在催化剂 ( 二氯二苯腈 钯 + 三苯基 膦 + 碘化 铜) 作用下在胺类溶液中与三甲基硅乙炔 ( T MSA) 反应, 乙炔基在三甲基硅基的保护下进入苯环 , 然 后在碱溶液中水解脱去保护基, 通过中温高真空蒸 馏提纯即制得 DEB。该工艺 简单, 产率 较高, 但 催化剂和溴苯成本较高 , 产物中的残余催化剂分离 困难, 蒸馏工艺要求严 , 还易发生爆炸, 难以工业 推广 。 1 1 3 二乙烯基苯法 [ 7] 二乙烯基苯溴化加成后生成双 ( 1, 2- 二溴乙 基) 苯, 该反应须保持低温, 防止与苯环上的氢发
表 1 几种芳基乙炔常压下 800
单体名称 间二乙炔基苯 对二乙炔基苯 二乙炔基联苯 二乙炔基二苯基甲烷 单炔基芳烃 理论含炭 率/ % 95 2 95 2 95 0 94 4 94 1~ 95 66
芳基乙炔树脂的成碳率高于碳布增强酚醛树脂, 烧 蚀性能也更为优异 , 但是复合材料的力学性能较低, 他认为导致材料力学性能较低的原因主要有 2 个: 一是树脂本体脆性较大, 粘结性能差; 二是聚芳基 乙炔树脂与碳布的浸润性较差。为了改善聚芳基乙 炔树脂的脆性, 闫联生探索了用酚醛树脂对聚芳基
收稿日期 作者简介
2005- 03- 01; 袁海根 ( 1981
修回日期
2005- 05- 11
) , 男 , 江西人 , 硕士研究生 , 研究方
向为耐高温抗烧蚀树脂基体及其复合材料。
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热 固 性 树 脂
第 20 卷
生取代反应。随后用强碱脱去 HBr, 反应在环丁砜 溶液中进行 , 这是典型的 - 、 - 消去反应。该 反应分 2 步进行 : 第 1 步是放热反应 , 2 个二溴乙 基各 脱 去 一分 子 H Br, 生 成 比较 稳 定 的 CH = CHBr 结构 , 反应在低温下进行 ( 15~ 30 ); 第2 步是吸热反应, 脱去另一对 H Br, 反应较困难, 须 在高温( 90~ 100 ) 下并使用高过量的碱才有较高 产率。该方法目前应用比较普遍, 主要是成本要低 一些。然而从工业角度来看它仍然过于复杂 , 中间 步骤过多, 成 本依然过高 , 难以大范 围推广。 20 世纪 90 年代初 , 美国赫克里斯公司推出了该方法 的一釜法新工艺 , 即全部反应可以在同一个反应釜 中完成, 因而简化了工艺 , 提高了实用化程度。工 艺上的进一步发展将对 PAA 的开发起决定性作用 , 首先是要制得高纯度的 DVB, 其中的间位 DVB 含 量应尽可能高, 第 2 个关键是提高用 DVB 制备的 产率[ 2, 6] 。
所做的改进 , 并指出其在航天材料领域广泛应用的潜力。 关键词 : 耐烧蚀 ; 聚芳基乙炔 ; 聚苯硅乙炔基苯 ; 聚合机理 中图分类号 : T Q323 4 文献标识码 : A 文章编号 : 1002- 7432( 2005) 04- 0027- 05
The review of study on the ablative polyarylacetylene resin
1 2 芳基乙炔聚合物的合成 下面介绍几种当前公认的芳基乙炔的聚合机理。 1 2 1 环三聚型 聚合过程是分别来自 3 个单体分子的乙炔基团 结合成为 1 个芳核苯环, 固化后形成 1 种聚亚苯基 结构 , 亚 苯 基 之间 通 过 单 键 连 接。当 前 耐 高 温 PAA 材料的开发主要集中于这种聚合途径。这种 全芳环结构使得在惰性气氛下热解时要吸收大量的 热, 而且热解后的残炭强度很高, 一般认为它的耐 烧蚀能力优于同类线性聚合物
[ 16]
PAA 吸水性低 , 且逸出挥发性气体极少 , 这 些意味着其制件不会由于环境湿度变化而产生尺寸 变化 , 也不会由于空间真空环境而逸出排气污染传 感器及太阳能镜面, 导致效率和使用寿命下降, 图 2 示出了 2 种树脂的吸湿性能比较。环氧树脂属于 亲水性树脂 , 其分子结构中含有大量极性基团 ( OH , NH 2 ) , 易于和水分子形成氢键 , 其水分析 出和变 形一直是航天 器设计中关注 的问题。 PAA 在这方面具有得天独厚的优势 , 美国宇航公司曾在 空军资助下开展了 1 项试验, 证明 PAA 真空下失 重及可凝结挥发性符合航空航天局规范 , 排气水平 远低于许可极限。在力学性能方面亦达到碳 / 环氧 相同水平。为考核 PAA 在太空环境下的长期老化 性能, 美国航空航天局在其大型 空间环境暴露试 验装置( LDEF ) 中安排了长达 6 年的碳/ PAA 老 化试验, 初步证明了其优良的环境适应能力。
第 20 卷第 4 期 Vol 20 No 4
2005 年 7 月 July 2005
热 固 性 树 脂 Thermosetting Resin
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抗烧蚀聚芳基乙炔树脂研究进展
袁海根, 曾金芳, 杨 杰
( 西安航天复合材料研究所 , 陕西西安 710025) 摘 要 : 介绍了聚芳基乙炔所用单体的合成 , 聚合机理 , 阐述了其 不足之处和国内外研究人员对聚芳基乙炔
YUAN Hai gen, ZENG Jin - fang, YANG Jie ( X i an A er osp ace Composi te M ater ial I nst itute, X i an 710025 , China) Abstract: In this paper, monomers and prepoly mer for polyarylacetylene and their synthesis mechanism , ex pa t iat es on its short ages and improvement s made by the researchers at home and abroad w ere preseut ed and t he prospect in t he w ide application of t he aerospace material f ield w as introduced. Key words: ablative; poly arylacet ylene; MSP; poly merize mechanism 0 引 言 聚芳基 乙炔 ( Polyarylacet ylene, 缩写 PAA) 是 一类由乙炔基( 通常是端乙炔基) 芳烃为单体聚合而 成的高性能聚合物 , 其主要特点 是: a 聚合 过程 是一种加聚反应 , 固化时无挥发物和低分子质量副 产物逸 出; b 树脂 固化后 通常呈 高度交 联结构 , 耐高 温性 能十 分优异 ; c 分 子结 构仅 含 C 和 H 2 种元素 , 含碳量达 90% 以上 , 热解成炭率极高 , 且收缩率较低; d 预聚物呈液态或易溶易 熔的固 态, 便 于 复 合 材 料 成 型 加 工
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