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        α-羥基,ω-環(huán)氧基聚己內(nèi)酯/環(huán)氧樹脂復(fù)合體系的制備和耐熱性能

        2012-09-04 11:41:50劉平桂赫麗華梁興泉
        材料工程 2012年7期
        關(guān)鍵詞:耐溫性交聯(lián)密度開環(huán)

        劉 盈,劉平桂,赫麗華,梁興泉

        (1廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,南寧530004;2北京航空材料研究院,北京100095)

        α-羥基,ω-環(huán)氧基聚己內(nèi)酯/環(huán)氧樹脂復(fù)合體系的制備和耐熱性能

        劉 盈1,2,劉平桂2,赫麗華2,梁興泉1

        (1廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,南寧530004;2北京航空材料研究院,北京100095)

        利用ε-己內(nèi)酯的酶促開環(huán)聚合,合成了α-羥基,ω-環(huán)氧基聚己內(nèi)酯低聚物(ETPCL);利用—OH與—NCO的親核加成反應(yīng),通過聚氨酯途徑合成了環(huán)氧基封端的聚己內(nèi)酯接枝環(huán)氧樹脂共聚物(PCL-g-GY250);將PCL-g-GY250與分子量較高的環(huán)氧樹脂GT7071進(jìn)行共混,通過胺類固化劑與環(huán)氧基團(tuán)的固化反應(yīng)制備了不同PCL-g-GY250含量的環(huán)氧樹脂復(fù)合體系(PCL-g-GY250/GT7071);利用熱失重分析(TGA)及在甲苯中的溶脹實(shí)驗(yàn)分別對(duì)復(fù)合體系的耐熱性能和交聯(lián)密度進(jìn)行了表征。結(jié)果表明:隨PCL-g-GY250含量的增加,體系的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)密度逐漸下降;PCL-g-GY250的引入,使得復(fù)合體系的耐溫性能得到改善:當(dāng)PCL-g-GY250與GT7071的質(zhì)量比為4∶1時(shí),固化體系的5%熱失重溫度(T5%d)可由純環(huán)氧固化體系的145.0℃提高到216.3℃;尤其是純PCL-g-GY250固化體系的T5%d更是達(dá)到293.9℃,相比純環(huán)氧樹脂固化體系提高了148.9℃。

        環(huán)氧樹脂;α-羥基,ω-環(huán)氧基聚己內(nèi)酯;酶促開環(huán)聚合;耐熱性;溶脹

        環(huán)氧樹脂由于優(yōu)異的性能,特別是熱性能和尺寸穩(wěn)定性及高強(qiáng)度和高硬度而廣泛應(yīng)用于涂料、膠黏劑和復(fù)合材料基體樹脂等領(lǐng)域。但是其固化后交聯(lián)密度高,存在內(nèi)應(yīng)力大、質(zhì)脆、耐沖擊性能差等缺點(diǎn),因此對(duì)環(huán)氧樹脂的增韌改性是提高其使用性能的關(guān)鍵。通過改變交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的化學(xué)結(jié)構(gòu)組成(如在交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中引入“柔性鏈段”)以提高交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中鏈段的活動(dòng)能力,可以改善環(huán)氧樹脂的韌性和耐沖擊性能,同時(shí)改性環(huán)氧樹脂的玻璃化溫度、強(qiáng)度和硬度下降很?。?-6]。聚己內(nèi)酯是一種線型半結(jié)晶性脂肪族聚酯,其熱穩(wěn)定性、耐水解性較好,分解溫度比其他聚酯要高[7,8];此外聚己內(nèi)酯的溶解度參數(shù)和環(huán)氧樹脂相近,因而兩者相容性相對(duì)較好[9,10],因此利用聚己內(nèi)酯對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性便受到了廣泛的關(guān)注。目前,利用聚己內(nèi)酯改性環(huán)氧樹脂常用的方法有物理共混[11-14]、化學(xué)共聚[7,15]等,在這些體系中,用到的聚己內(nèi)酯多為雙端同一結(jié)構(gòu)的(如端羥基聚己內(nèi)酯),而利用雙端不同結(jié)構(gòu)的(Heterobifunctional),即端羥基端環(huán)氧基型的聚己內(nèi)酯改性環(huán)氧樹脂的研究鮮見報(bào)道。本工作從制備端羥基端環(huán)氧基聚己內(nèi)酯出發(fā),通過聚氨酯路線,制備了聚己內(nèi)酯接枝環(huán)氧樹脂低聚物,進(jìn)而制備了不同聚己內(nèi)酯含量的改性環(huán)氧樹脂系列復(fù)合物,并對(duì)復(fù)合體系固化后的溶脹性能、耐熱性能進(jìn)行了表征,分析了異端結(jié)構(gòu)聚己內(nèi)酯含量對(duì)環(huán)氧復(fù)合體系交聯(lián)結(jié)構(gòu)、耐熱性能的影響,為進(jìn)一步探索復(fù)合體系其他性能的變化規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 實(shí)驗(yàn)原料

        脂肪酶Novozyme435(Candida antarctica lipase B,活性12187PLU/g)由諾維信公司提供,使用前在50℃的真空干燥箱中干燥8h;ε-己內(nèi)酯(ε-CL,純度大于99%)、縮水甘油(Glycidol,純度96%)使用之前用Ca H2干燥,然后減壓蒸餾提純;雙酚A-二縮水甘油醚環(huán)氧樹脂:Araldite?GT7071(環(huán)氧當(dāng)量:500~525 g/eq)、Araldite?GY250(環(huán)氧當(dāng)量:185 g/eq),其中GT7071使用之前配成50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)的甲苯溶液;異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)、二丁基二月桂酸錫(DBTDL)、固化劑Aradur?250(活潑氫當(dāng)量:95 g/eq)、固化促進(jìn)劑960-1等直接使用;所用溶劑均為分析純,除甲苯在使用之前經(jīng)0.4nm分子篩和Ca H2充分干燥外,其余均直接使用。

        1.2 α-羥基,ω-環(huán)氧基聚己內(nèi)酯低聚物ETPCL的合成

        ETPCL的合成參照文獻(xiàn)[16]進(jìn)行:稱取一定量的Novozym-435于三口瓶中,Ar保護(hù)下向燒瓶中依次加入計(jì)量的ε-己內(nèi)酯、縮水甘油和甲苯,60℃下攪拌反應(yīng)24h。反應(yīng)結(jié)束后,向瓶中加入適量氯仿以終止反應(yīng),過濾除酶并用氯仿洗滌。將濾液倒入正己烷中以沉淀出產(chǎn)物,沉淀產(chǎn)物經(jīng)正己烷多次洗滌、50℃真空干燥后得到ETPCL。利用丙酮-鹽酸法測(cè)定其數(shù)均分子量為1903。

        1.3 PCL-g-GY250的合成

        稱取計(jì)量ETPCL于三口瓶中,110℃左右真空干燥2h,降溫至60℃,Ar保護(hù)下滴加等摩爾的IPDI,滴加完后加入適量DBTDL,升溫到70℃,反應(yīng)3h。反應(yīng)結(jié)束后,冷卻至室溫,加入干燥甲苯配成50%的溶液,密封待用。產(chǎn)物命名為ITPCL。

        將裝有計(jì)量GY250的三口瓶油浴加熱至105℃左右,真空干燥3h,降溫到60℃,Ar保護(hù)下滴加計(jì)量的ITPCL和適量DBTDL。滴完后升溫至70℃,繼續(xù)反應(yīng),直至用紅外光譜檢測(cè)體系中-NCO特征吸收峰完全消失后停止反應(yīng),冷卻至室溫,得到濃度為63.16%、溶液環(huán)氧當(dāng)量為488 g/eq的PCL-g-GY250甲苯溶液。產(chǎn)品密封待用。

        1.4 復(fù)合體系的制備

        為考察PCL-g-GY250的含量對(duì)復(fù)合體系性能的影響,實(shí)驗(yàn)中分別按0∶1,1∶4,2∶3,1∶1,3∶2,4∶1,1∶0的固含量之比稱取一定量的PCL-g-GY250溶液、GT7071溶液于燒杯中(此時(shí)PCL-g-GY250分別占總量的0,20%,40%,50%,60%,80%,100%),加入等當(dāng)量的固化劑Aradure 250及適量固化促進(jìn)劑960-1(為Aradur 250的1%),攪拌均勻后倒入聚四氟乙烯模具中,室溫固化7d后,再在60℃的烘箱中放置一晚,得到透明的環(huán)氧樹脂復(fù)合物膜。具體配方見表1。

        表1 樣品中樹脂的組成Table 1 Composition of resin series in the cured film

        1.5 測(cè)試

        1H-NMR測(cè)試采用BRUKER AVANCE 400核磁共振儀,400MHz,溶劑為CDCl3;FT-IR采用Nicolet-Magna 750紅外光譜儀,分辨率4cm-1,掃描速率32次;TGA測(cè)試采用TA Instruments-TGA 2050熱分析測(cè)試儀,測(cè)試條件為:室溫~650℃,升溫速率10℃/min,N2氣氛;溶脹實(shí)驗(yàn)按文獻(xiàn)[17]的方法進(jìn)行,即:稱取20mm×10mm的試樣(質(zhì)量mp),置于50m L干燥甲苯中,常溫密閉條件下浸泡,15d后取出,稱量至質(zhì)量(ms)無變化。溶脹度(Q)按公式(1)計(jì)算:

        2 結(jié)果與討論

        2.1 ETPCL的合成與結(jié)構(gòu)分析

        與普通催化劑催化己內(nèi)酯單體聚合不同,酶促開環(huán)聚合機(jī)理是酶活性中心的Ser殘基與內(nèi)酯形成“酰基-酶”中間體,然后引發(fā)劑(如水、醇、胺、酸等)對(duì)中間體進(jìn)行親核進(jìn)攻而導(dǎo)致鏈引發(fā);鏈的增長(zhǎng)則是通過形成的ω-羥基脂肪酸長(zhǎng)鏈分子對(duì)中間體進(jìn)攻而發(fā)生的[18]。這樣,當(dāng)以縮水甘油為引發(fā)劑、甲苯為反應(yīng)介質(zhì)時(shí),在脂肪酶Novozym-435作用下,利用ε-己內(nèi)酯單體的開環(huán)聚合反應(yīng)合成了α-羥基,ω-環(huán)氧基聚己內(nèi)酯低聚物ETPCL(見圖1),并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征(見圖2)。

        圖1 ε-己內(nèi)酯的酶促開環(huán)聚合Fig.1 Enayme catalyzed ring-opening polymerization ofε-CL

        圖2 ETPCL的1H-NMR譜圖Fig.2 1 H-NMR spectrum of ETPCL

        圖2為ETPCL的1H-NMR圖。δ=1.35(e),1.60(g),2.26(d),4.01(f)處的多重峰代表了己內(nèi)酯重復(fù)單元上質(zhì)子氫產(chǎn)生的化學(xué)位移[19,20];δ=3.58(h)處的化學(xué)位移峰代表與ETPCL末端基—OH相連的亞甲基上的質(zhì)子氫產(chǎn)生的化學(xué)位移[19];δ=2.60(a2),2.80(a1),3.16(b),3.87(c2),4.36(c1)處的吸收峰代表了引發(fā)劑縮水甘油上質(zhì)子氫產(chǎn)生的化學(xué)位移[16]。由此推斷引發(fā)劑縮水甘油成功引發(fā)了ε-己內(nèi)酯的酶促開環(huán)聚合。

        2.2 PCL-g-GY250的紅外光譜分析

        通過—OH與—NCO的親核加成反應(yīng),分兩步合成了低聚物PCL-g-GY250,反應(yīng)式如圖3所示。

        圖3 PCL-g-GY250的合成反應(yīng)Fig.3 Schematical route of PCL-g-GY250

        圖4 ETPCL(a),ITPCL(b)和PCL-g-GY250(c)的FT-IR對(duì)比圖Fig.4 FTIR spectra of ETPCL(a),ITPCL(b)and PCL-g-GY250(c)

        圖4分別為ETPCL,ITPCL和PCL-g-GY250的紅外圖譜。圖4(a)譜線上3438.5cm-1寬散吸收峰歸屬于ETPCL的端—OH的特征吸收峰,908.3cm-1歸屬于ETPCL的環(huán)氧基特征吸收峰。從圖4(b)中可看出,當(dāng)具有端—OH的ETPCL與IPDI反應(yīng)之后,—OH在3438.5cm-1的吸收峰基本消失,而在3374.9cm-1出現(xiàn)-NH-伸縮振動(dòng)吸收峰,同時(shí)1731.8cm-1處—C=O吸收峰的存在,說明—OH與—NCO反應(yīng)生成了—NHCOO—基團(tuán),此外2267.9cm-1處—NCO特征吸收峰、908.3cm-1處環(huán)氧基特征吸收峰的存在,表明生成了ITPCL低聚物。繼續(xù)加入GY250后,如圖4(c)所示,2267.9cm-1處—NCO特征吸收峰的消失、914.1cm-1處環(huán)氧基特征吸收峰的存在說明已將ETPCL成功接枝到GY250上。

        2.3 復(fù)合體系的溶脹性能

        交聯(lián)體系在溶劑中的溶脹度直接反映體系交聯(lián)密度的變化情況[21,22]。如圖5所示:隨著PCL-g-GY250含量的增加,復(fù)合體系的溶脹度逐漸增大,說明復(fù)合體系的交聯(lián)密度逐漸下降。這可能是由以下兩個(gè)因素引起的:(1)與純環(huán)氧樹脂的固化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比,復(fù)合體系中存在支鏈大分子PCL,因而在一定程度上降低了原有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的致密性;(2)由于環(huán)氧樹脂固化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中PCL主鏈結(jié)構(gòu)上-C-O-鍵和-(CH2)5-柔性鏈的存在,使其很容易在甲苯的作用下發(fā)生溶脹[23]。也就是說,PCL-g-GY250的引入,一方面破壞了原有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的致密性,另一方面引入了柔性的分子鏈段,相應(yīng)地,復(fù)合體系的交聯(lián)密度隨PCL-g-GY250含量的增大呈下降趨勢(shì)。

        圖5 復(fù)合體系的溶脹度Q與PCL-g-GY250含量關(guān)系圖Fig.5 Swelling ratio Q vs PCL-g-GY250 mass fraction

        2.4 復(fù)合體系的熱性能

        熱失重分析(TGA)是評(píng)價(jià)復(fù)合材料耐溫性能的一種重要方法。圖6為各樣品的熱失重曲線,其中圖6(a)為TGA曲線,圖6(b)為DTGA曲線。各體系的詳細(xì)熱性能數(shù)據(jù)見表2,其中的Tmax為DTGA曲線中分解峰峰值所對(duì)應(yīng)的溫度,Wmax為該溫度下的失重量。這里將5%失重時(shí)的溫度T5%d定義為復(fù)合體系的起始分解溫度。從表2可以看到:純環(huán)氧固化體系(A1)的T5%d為145.0℃,改性環(huán)氧固化體系(A2~A6)的T5%d都有不同程度的提高,其中A6的T5%d達(dá)到216.3℃;純PCL-g-GY250固化體系(A7)的T5%d更是高達(dá)293.9℃,相比A1提高了148.9℃。從這些數(shù)據(jù)可以看出,隨著PCL含量的增加,盡管增加了耐溫性能較差的氨酯基的含量,也降低了固化網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)密度,但體系的耐溫性能卻得到了提升,也就是說,此時(shí)整個(gè)體系的耐溫性能(T5%d數(shù)據(jù))應(yīng)主要由PCL的含量所主導(dǎo)。

        圖6 不同PCL-g-GY250含量復(fù)合體系的TGA(a)和DTGA(b)曲線Fig.6 TGA(a)and DTGA(b)curves for PCL-g-GY250/GT7071 with different PCL-g-GY250 contents

        同樣,從圖6(b)中可以看出,各體系均呈現(xiàn)多階段分解過程,各體系在各溫度段的分解速率也存在一定的差異。通常認(rèn)為,200℃以下的分解與環(huán)氧體系中C—N鍵、C6H5—C(CH3)2—C6H5鍵的均相斷裂以及環(huán)氧分子鏈間的脫水反應(yīng)有關(guān)[13];純固化環(huán)氧樹脂的第二和第三階段的熱分解峰分別對(duì)應(yīng)于殘余有機(jī)結(jié)構(gòu)的熱分解和環(huán)氧結(jié)構(gòu)的碳化[10];在A2~A7體系中,由于PCL的加入以及由此而導(dǎo)致的氨酯基含量的變化,可以認(rèn)為它們的第二階段的熱分解峰應(yīng)對(duì)應(yīng)于氨酯基的熱分解、PCL鏈的斷裂以及環(huán)氧體系中殘余有機(jī)結(jié)構(gòu)的熱分解[13],第三階段則為殘余熱分解產(chǎn)物的碳化等??梢钥闯觯鞲男泽w系隨PCL含量的增加,300℃前各體系因氨酯基分解而引起的分解速率明顯變慢,也就是說此時(shí)的PCL對(duì)體系的耐溫性能有益;但此后隨著PCL鏈段的分解,在出現(xiàn)T2max峰之前,A2~A5的分解速率有變快的趨勢(shì)(DTGA曲線的斜率變大),T2max值明顯降低,而其對(duì)應(yīng)的熱失重W2max則增加。受第二階段分解過程的影響,T3max以及W3max也呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)。也就是說,此時(shí)各體系的熱分解過程主要受體系的交聯(lián)密度以及氨酯基含量的影響。但當(dāng)PCL含量增加到一定程度時(shí)(A6,A7體系),由于PCL與GY250之間較強(qiáng)的化學(xué)作用,復(fù)合體系則表現(xiàn)出另一分解特性,從DTGA可以看出,它們的T2max,T3max較A2~A5值明顯增大。

        此外,表2顯示,樣品A4在500℃時(shí)殘余量和A5在450℃時(shí)殘余量均低于其他樣品在600℃的殘余量,這是因?yàn)锳4,A5含有較多的PCL,盡管這有利于增強(qiáng)分子鏈間作用力,但是同時(shí)增加了耐溫性能較差的氨酯基含量,也降低了固化網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)密度,因而導(dǎo)致A4,A5的殘余量偏低。

        表2 復(fù)合體系的熱分解數(shù)據(jù)Table 2 Data of thermal decomposition for the prepared composites

        3 結(jié)論

        (1)利用ε-己內(nèi)酯的酶促開環(huán)聚合反應(yīng)合成了端羥基端環(huán)氧基聚己內(nèi)酯ETPCL;利用-OH與-NCO的親核加成反應(yīng),通過聚氨酯路線,合成了聚己內(nèi)酯接枝環(huán)氧樹脂低聚物PCL-g-GY250。

        (2)在制備的PCL-g-GY250/GT7071復(fù)合體系中,隨PCL-g-GY250含量的增加,復(fù)合體系的交聯(lián)密度呈下降趨勢(shì)。

        (3)PCL-g-GY250的引入,使得復(fù)合體系的耐溫性能得到改善。當(dāng)PCL-g-GY250與GT7071以4∶1的質(zhì)量比混合固化時(shí),5%熱失重溫度可由純環(huán)氧的145.0℃提高到216.3℃;純PCL-g-GY250固化體系的5%熱失重溫度更是達(dá)到293.9℃,相比純環(huán)氧樹脂固化體系提高了148.9℃。

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        Preparation and Thermal Properties ofα-Hydroxy,ω-Epoxide Polycaprolactone/Epoxy Resin Composites

        LIU Ying1,2,LIU Ping-gui2,HE Li-h(huán)ua2,LIANG Xing-quan1
        (1 College of Chemistry and Chemical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China;2 Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)

        α-Hydroxyl,ω-epoxide polycaprolactone oligomer(ETPCL)was synthesized fromε-caprolactone monomer and glycidol via enzyme catalyzed ring-opening polymerization.Then ETPCL grafted epoxy resin copolymer(PCL-g-GY250)was synthesized via—OH and—NCO nucleophilic addition reaction through urethane route.Through directly blending PCL-g-GY250 and epoxy resin GT7071 having higher molecular mass,and curing them with amine curing agent,a series of epoxy resin composites(PCL-g-GY250/GT7071)containing different content of PCL-g-GY250 were prepared.The thermal degradation and cross-linking density of the amine-cured epoxy composites were investigated by thermogravimetry analysis(TGA)and swelling in toluene,respectively.The results show that the cross-linking network density decreased with increasing PCL-g-GY250 content.And from TGA analysis,it can be concluded that incorporating PCL-g-GY250 into the epoxy resin improved the thermal resistance of the composites.When the mass ratio of PCL-g-GY250 and GT7071 was 4∶1,the characteristic degradation temperature at 5%mass loss()was increased from 145.0℃of amine-cured epoxy to 216.3℃of amine-cured PCL-g-GY250/GT7071.Andof amine-cured PCL-g-GY250 reached 293.9℃,which was 148.9℃higher than that of amine-cured epoxy.

        epoxy resin;α-h(huán)ydroxyl,ω-epoxide polycaprolactone;enzyme-catalysed ring-opening polymerization;thermal property;swelling

        TB332

        A

        1001-4381(2012)07-0044-06

        2011-05-24;

        2012-03-30

        劉盈(1983—),男,碩士,主要從事高分子材料方面的研究,聯(lián)系地址:山東省濟(jì)南市長(zhǎng)清區(qū)萬(wàn)德鎮(zhèn)鎮(zhèn)委宿舍樓三單元二樓西戶(250309),E-mail:a13675487687@163.com

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