双马来酰亚胺树脂

1.1 引言

先进树脂基复合材料以其轻质、高比强、高比模、耐高温和极强的材料性和可设计性而成为发展中的高技术材料之一。其在航空、航天工业中的应用也显示了独特的优势和潜力，被认为是航空、航天材料技术进步的重要标志[1]。而基体树脂则是决定复合材料性能优劣的一个关键因素。

作为先进树脂基复合材料的基体树脂，它不仅要有优良的机械性能（尤其是断裂韧性）、耐热、耐湿热、耐老化、耐腐蚀等，而且还要有良好的加工性。但现有树脂存在的主要问题是不能将高温性能、耐湿热性、韧性及加工性有机地统一起来。

目前用于先进树脂基复合材料的基体树脂主要是环氧树脂、聚酰亚胺树脂和双马来酰亚胺树脂。环氧树脂具有优良的加工性，但耐湿热性能差，已逐渐不能满足高性能的要求。聚酰亚胺树脂具有突出的耐热性、耐湿热性能，但其苛刻的工艺条件限制了其应用。双马来酰亚胺（BMI）树脂是今年来发展起来的一种新型耐热高聚物[2]，它的价格比较便宜，其成型加工的条件也不是十分的苛刻。采用间接法合成在加工中没有小分子放出，故使得制品无气隙。除了作为复合材料的母体树脂外，也可以作压塑料、涂料、胶粘剂等。在200℃～220℃一万小时老化后仍无明显的降解现象发生。它还能耐射线，在5×109rad照射下机械性能不发生变化。它广泛用于航空、航天和机电等高科技领域。BMI不仅具有聚酰亚胺树脂的耐热性、耐侯性、耐湿热性的优点，而且具有类似于环氧树脂的成型工艺性，是目前备受青睐的的高性能聚合物之一。

1.2 双马来酰亚胺树脂概述

双马来酰亚胺（BMI）树脂是由聚酰亚胺树脂体系派生出来的一类树脂体系，是以马来酰亚胺（MI）为活性端基的双官能团化合物，其树脂具有与典型热固性树脂相似的流动性和可塑性，可用与环氧树脂相同的一般方法加工成型。同时它具有聚酰亚胺树脂的耐高温、耐辐射、耐潮湿和耐腐蚀等特点[3]，但它同环氧树脂一样，有固化物交联密度很高使材料显示脆性的弱点，溶解性能差。

双马来酰亚胺树脂固化物具有良好的耐高温性、耐辐射性、耐湿性及低吸水率，作为高强度、高模量和相对低密度的高级复合材料树脂，虽然已在航空航天业，电子电器业，交通运输业等诸多行业中日益获得广泛的应用，但是，经常使用的BMI结构的双马来酰亚胺树脂在丙酮中的溶解度小，不能用于预浸料，给加工带来不便[4]。另外，双马来酰亚胺熔点较高，熔融粘度大，溶解性差，必须使用特殊的溶剂，由于这些溶剂的使用，使生产成本增加，而且，由于极性溶剂

的存在，与马来酰亚胺产生强的相互作用，加之沸点较高，成型温度高，在烘干和热处理固化过程中不易使溶剂完全从制品中渗出，残存的溶剂使制品脆性大，性能下降，特别是韧性差，阻碍了其应用和发展。为此，必须对其进行改性，改善其加工性能，使其更好地发挥其综合性能较好的特点，为人类社会的发展作出贡献。近年来，对双马来酰亚胺的改性研究一直是耐热高分子材料领域中的一个非常活跃的发展方向。

1.2.1 BMI的熔点

BMI单体多为结晶固体，因其不同的结构而具有不同的熔点。一般来讲，脂肪族BMI单体具有较低的熔点，且其熔点随亚甲基链段的变长而降低，这是因为分子中极性基团密度的降低和分子链的柔顺性增大所致。芳香族BMI的熔点大多较高，但随结构的不同而有较大差异。不对称因素的引入破坏了分子结构的对称性，使其晶体的完善程度下降，因而熔点降低[5]。

1.2.2 BMI的溶解性

常用的BMI单体不能溶于普通有机溶剂，如丙酮、乙醇、氯仿中，只能溶于二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮(NMP)等强极性、毒性大、价格高的溶剂中。这是由于BMI的分子极性以及结构对称性所决定的[6]，因此如何改善溶解性是BMI改性的一个主要内容。

1.2.3 BMI的反应性

BMI单体结构中，C=C双键受邻位两个羰基的吸电子作用而成为贫电子键，因而易于与二元胺、酰胺、酰肼、硫化氢、氰尿酸和多元酚等含活泼氢的化合物进行加成反应，它也可以同含不饱和双键的化合物、环氧树脂及其他结构的BMI 进行共聚反应，同时也能在催化剂或热作用下发生自聚反应[7]。BMI的固化和固化温度与其结构有很大的关系，一般BMI及其改性树脂的固化温度为200℃～220℃，后处理温度为230℃～250℃。

1.2.4 BMI的耐热性

BMI由于含有苯环、酰亚胺杂环及交联密度较高而使其固化物有良好的耐热性，其Tg一般大于250℃，使其温度范围为177℃～232℃左右[8]。

1.2.5 BMI的力学性能

BMI树脂的固化反应属于加成型聚合反应，成型过程中无低分子副产物放出，容易控制，固化物结构致密，缺陷少，因而BMI具有较高的强度和模量。

但是由于化合物的交联密度高、分子链刚性强而使BMI呈现出极大的脆性，它表现在抗冲击性差、断裂伸长率小、断裂韧性低[9]。而韧性差是阻碍BMI应用及发展的技术关键之一。此外，BMI还有优良的电性能、耐化学性能、耐环境及耐辐射等性能。

1.3 双马来酰亚胺树脂的增韧改性[10]

BMI分子链由于芳环和酰亚胺环的存在而表现为刚性链，具有较高的耐热性、低的热膨胀系数及较高的弯曲强度和模量。但这种刚性链结构也导致树脂具有脆性，容易断裂的缺点[11]。增韧改性，即通过分子结构的改变或形态控制来实现BMI韧性的提高。常用方法主要有两种：一是加入二元胺扩链后加入环氧树脂、橡胶等共聚；另一方法是双烯类化合物共聚，可极大的改进BMI的工艺性能。从分子结构分析增韧的途径有两条：一是降低链的刚性，如引入柔性链节，降低芳环或芳杂环的密度等；二是降低固化物的交联密度，如将R链延长等，从不同分子间和不同相之间相互作用分析增韧方法，即将橡胶粒子或热塑性塑料与BMI树脂共混，通过相分离，相反转变化或形成互穿网络(IPN)结构而达到增韧的目的[12]。

1.3.1 烯丙基化合物共聚法

（1）烯丙基化合物改性BMI的原理[13]

BMI分子结构中由于羰基的吸电子作用，其碳碳不饱和双键为贫电子双键与烯丙基化合物首先进行双烯加成，生成1∶1的中间体，然后在较高温度下，BMI的双键与中间体进行Diels-Adler反应，生成具有梯形结构的高交联密度的聚合物，其反应方程式如下：