硼酚醛樹脂固化環(huán)氧樹脂成炭性能研究

硼酚醛樹脂固化環(huán)氧樹脂成炭性能研究

準(zhǔn)硝醇樹脂是迄今為止最成功轉(zhuǎn)化為苯酚的品種之一。作為一種耐腐蝕涂層材料，新興的準(zhǔn)硝酸銨環(huán)氧樹脂體系具有一定的耐腐蝕性，在兵器、航天部門的耐腐蝕性、耐腐蝕性等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，并決定了其耐腐蝕性研究的重要性。作為一種承受侵蝕的材料，椰子層的耐腐蝕性不同于純酚二醇酸。由于其耐腐蝕性主要取決于樹脂的成芯率和成芯質(zhì)量，因此對該系統(tǒng)的成芯性能具有現(xiàn)實(shí)意義。為了本研究的目的，我們使用了熱重分析、電離成像和x射線衍射等技術(shù)對樹脂的成本規(guī)律和殘余碳表面的形態(tài)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在理論研究方面，文獻(xiàn)報(bào)道了酚醛樹脂的熱分解動態(tài)模型，但關(guān)于酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂硬化系統(tǒng)的動態(tài)變化研究較少。為了了解樹脂的熱態(tài)平衡過程，采用olaw法計(jì)算了500前樹脂的熱分解動態(tài)參數(shù)，并建立了相應(yīng)的樹脂熱分解動態(tài)模型。對于制備和評價(jià)棕櫚醇乙烯酸酯的抗?jié)B試驗(yàn)有意義。1實(shí)驗(yàn)部分1.1主要原材料硼酚醛樹脂(BPF):THC400西安太航阻火聚合物研究所.環(huán)氧樹脂(EP):E51無錫樹脂廠.1.2儀器、檢測方法傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR):Magna750型,美國Nicolet公司.熱重分析儀(TGA):STA449C型,德國耐馳儀器有限公司.X射線衍射儀(XRD):X’pert型,荷蘭Philips公司.掃描電子顯微鏡(SEM):QUANTA200,荷蘭FEI公司.1.3混合體系的固化把淡黃色的硼酚醛樹脂研磨成小于80目粉體,按照質(zhì)量配比均勻摻混到液體環(huán)氧中,混合體系首先在150℃下固化;冷卻后用研缽研磨成粉體,然后在180℃下深度固化,完全固化后取60目篩下份,混合均勻后備用,樣品為紅褐色粉體,試驗(yàn)備用.1.4菲爾菲測試把樣品放入溴化鉀內(nèi),研磨均勻后壓片,檢測器為DTGS,分束器為KBr,掃描范圍為0～4000cm-1.1.5熱重ld50采用Al2O3坩堝,樣品量為10mg,載氣流量為60ml/min,加熱速率為2、5、10及20℃/min,做室溫到800℃熱重曲線.1.6測量的精度參照GB4472-84,化工產(chǎn)品密度、相對密度測試通知試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),液體采用無水乙醇,密度為0.790g·cm-3.1.7為微觀結(jié)構(gòu)和形狀的測量殘?zhí)勘砻鎳娊?掃描電子顯微鏡做500x、1000x、2000x及5000x掃描圖片;X射線衍射儀做0～80°掃描.2結(jié)果與討論2.1環(huán)氧樹脂固化前后的性質(zhì)表征硼酚醛能否充分固化環(huán)氧樹脂影響材料的機(jī)械性能和耐燒蝕性能,而FTIR是判斷固化程度最為直接有效的一種方法,可以采用FTIR譜圖中環(huán)氧吸收峰的強(qiáng)度大小來判斷.圖1和圖2分別是環(huán)氧樹脂固化前后的兩張譜圖.在圖2上,754.0cm-1,827.3cm-1是鄰對位取代苯環(huán)上兩個(gè)相鄰氫原子的面外彎曲振動;1108.9cm-1是端環(huán)氧基的吸收;1247.7cm-1是苯醚的碳氧鍵C-O吸收;1035.6cm-1是脂肪族醚鍵的吸收;1384.7cm-1是硼氧鍵B-O伸縮振動;1608.4cm-1,1508.1cm-1是苯環(huán)的骨架振動,在圖1中的916.0cm-1處,有環(huán)氧基伸展振動吸收峰,在圖2中,環(huán)氧吸收峰吸收消失,說明環(huán)氧完全固化.2.2碳化硅系固化劑材料的篩選圖3給出了樣品4個(gè)加熱速率的TGA曲線,從曲線的情況看,在500℃前,整個(gè)曲線只有一個(gè)臺階,說明樣品分解過程比較簡單,按照單一機(jī)制熱解,同時(shí)表明硼酚醛樹脂與環(huán)氧樹脂已充分固化.從失重率來看,樣品的成炭率接近30%,說明硼酚醛改性后環(huán)氧樹脂具備耐燒蝕材料具有一定成炭能力的要求,這種性能是常用的胺類固化劑固化的環(huán)氧樹脂所不具備的性能特征.圖4是硼酚醛樹脂固化的環(huán)氧樹脂和N,N-二甲基芐胺固化的環(huán)氧樹脂的TGA曲線.根據(jù)試驗(yàn)研究,用量3%的N,N-二甲基芐胺就可以把環(huán)氧樹脂固化,但是固化產(chǎn)物幾乎完全失重,沒有殘?zhí)啃纬?硼酚醛樹脂做固化劑時(shí),一般用量相對較大才能把環(huán)氧樹脂全部固化,圖4中是15%硼酚醛樹脂的熱重曲線,樹脂的成炭率接近17%,原因可能是硼酚醛在環(huán)氧樹脂交聯(lián)結(jié)構(gòu)中引入大量苯環(huán),芳香族的結(jié)構(gòu)往往有利于炭的形成,這是硼酚醛樹脂能夠提高環(huán)氧樹脂的成炭率主要原因,苯環(huán)的增加利于改善樹脂的耐燒蝕性能.2.3硼酚醛樹脂固結(jié)劑的成分對固化樹脂的成炭率影響按照硼酚醛樹脂質(zhì)量百分比含量,由低到高,分別為15%,20%,23%,25%及30%,在相同固化條件下,固化得到5種樹脂,然后采用熱重分析儀以相同試驗(yàn)條件,測試得到800℃熱重曲線.測試結(jié)果表明隨著硼酚醛含量的加大,樹脂的成炭率增加,并且熱分解溫度(Td)移向高溫區(qū).下面表1列出了硼酚醛含量(xPF)與樹脂對應(yīng)的成炭率(yc)及熱分解溫度數(shù)據(jù).對于硼酚醛樹脂固化的環(huán)氧樹脂來說,隨著硼酚醛樹脂含量的增加,樹脂的成炭率增加,硼酚醛樹脂含量在上述范圍內(nèi),樹脂的成炭率與其含量呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,擬合表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得到數(shù)學(xué)關(guān)系式為yc=1.26xPF-0.527,線性規(guī)律說明了對于硼酚醛樹脂,其組成結(jié)構(gòu)中成炭單元不因兩種不同的固化體系受到影響,即硼酚醛-環(huán)氧樹脂固化體系中,硼酚醛的成炭能力與單純的硼酚醛樹脂體系相同,此規(guī)律可以有助于研究人員通過調(diào)節(jié)兩種樹脂的組分配比,對武器裝備設(shè)計(jì)不同成炭率的材料,這對于材料的配方設(shè)計(jì)具有重要意義,關(guān)系圖見圖6.2.5碳其他樹脂炭的密度根據(jù)GB4472-84,化工產(chǎn)品密度、相對密度測試通知試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),采用比重瓶法對樹脂800℃熱解的殘?zhí)窟M(jìn)行了測試,密度為1.12g·cm-3,此結(jié)果要小于相同成炭條件下,單純酚醛樹脂生成炭的密度.相同的成炭條件與密度測試條件下,S157樹脂炭的實(shí)密度為1.40g·cm-3,Q913樹脂炭的實(shí)密度為1.41g·cm-3,經(jīng)過仔細(xì)分析,原因可能是在硼酚醛-環(huán)氧樹脂體系中,雖然硼酚醛樹脂的成炭量未受影響,但是由于整個(gè)體系的結(jié)構(gòu)與單純的硼酚醛樹脂存在差異,導(dǎo)致生成了不同結(jié)構(gòu)的殘?zhí)?2.6殘?zhí)康慕Y(jié)構(gòu)采用荷蘭FEI公司的QUANTA200型電子掃描電鏡對殘?zhí)孔鲭婄R分析,殘?zhí)勘砻娉艘恍┘?xì)小的灰塵,并沒有觀察到孔隙,因此樹脂的殘?zhí)勘砻嬷旅?并不存在大量空隙,這對于樹脂用做燒蝕涂料、燒蝕膠粘劑等材料,自然地具有優(yōu)勢,見圖7.圖8是荷蘭X’pertX射線衍射得到的掃描曲線,從曲線的形狀分析,為無定形結(jié)構(gòu)的碳,這與大多樹脂的成炭結(jié)構(gòu)一致.2.7反應(yīng)機(jī)制的改變根據(jù)文獻(xiàn)資料,Ozawa-Flynn-wall法適合于有機(jī)聚合物反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)的計(jì)算,其方法為采用4個(gè)以上的升溫速率?,得到一組隨升溫速率提高而向高溫推移的熱重曲線,如圖3所示.倘若反應(yīng)過程的反應(yīng)機(jī)制不變,應(yīng)為一組平行曲線,曲線斜率的變化,說明反應(yīng)機(jī)制的改變.采用2、5、10及20℃/min4個(gè)升溫速率,以O(shè)zawa法得到lg(dx/dt)～1/T關(guān)系,如圖9所示.在圖9中,在樣品失重60%之前,大約550℃前,反應(yīng)過程為一組平行曲線,體系活化能基本保持不變,約為200kJ·mol-1,說明此階段主要是一些表觀活化能相似,類型相似的反應(yīng).下面表2列出了Ozawa法計(jì)算的質(zhì)量損失分?jǐn)?shù)、表觀活化能(E1)、指前因子的對數(shù)形式(lg(A/s-1))結(jié)果.采用常見的機(jī)制函數(shù),對4個(gè)加熱速率的TGA數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析,發(fā)現(xiàn)Cn模型得到的活化能與指前因子分別為201.5kJ·mol-1和12.8,這與Ozawa法得到的表觀活化能、指前因子最為接近,因此可以判定樹脂的熱解動力學(xué)機(jī)制函數(shù)屬于Cn型,即n階自動催化型.3硼酚醛固化環(huán)氧樹脂材料的熱解機(jī)理1)在硼酚醛樹脂與環(huán)氧樹脂體系中,當(dāng)硼酚醛樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于30%時(shí),隨著硼酚醛樹脂組分配比的增加,樹脂的熱解成炭率基本上呈線性增加,同時(shí)熱分解溫度移向高溫區(qū),這對于目前流行的硼酚醛改性環(huán)氧樹脂體系類燒蝕材料的配方設(shè)計(jì)提供依據(jù).2)在相同的成炭條件下