氰酸酯／环氧树脂泡沫塑料的制备与性能表征

氰酸酯／环氧树脂泡沫塑料的制备与性能表征

徐久升

摘要：采用两步法，以双酚A 型氰酸酯和双酚A 型环氧树脂为主要原料制备了一种新型的氰酸酯／环氧树脂泡沫塑料。利用傅里叶变换红外光谱、扫描电子显微镜、动态热机械分析仪、差示扫描量热分析和热失重分析等分别对氰酸酯／环氧树脂泡沫塑料的化学结构、泡沫泡孔结构和热力学性能进行了表征。结果表明，氰酸酯／环氧树脂泡沫已固化完全，观察不到2 272 cm–1／2 236 cm–1 处的氰酸酯基团吸收峰和913 cm–1 处的环氧基团吸收峰。氰酸酯／环氧树脂泡沫塑料为闭孔结构，泡孔均匀且基本上呈规则的球形；力学性能优异，比压缩强度为10.22 MPa · cm3／g ；玻璃化转变温度为223℃，失重5% 的分解温度为309℃，具有优良的耐热性。

关键词：氰酸酯；环氧树脂；泡沫；泡孔；热性能；力学性能

 

Preparation and Characterization of a Novel Cyanate／Epoxy Foams

Xu Jiusheng

Abstract ：A new type of cyanate／epoxy foam with bisphenol-A dicyanate ester prepolymer and diglycidyl ether of bisphenol-A as main materials was successfully prepared through a two-step process. The chemical structure，morphology and size of cell，thermal and mechanical properties of the foam were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy(FTIR)， scanning electron microscope，dynamic mechanical analysis， differential scanning calorimeter and thermal gravimetric analysis，respectively.The results show that the cyanate／epoxy foam is cure completely，and the characteristic peak of the –OCN group (2 272 cm–1／2 236 cm–1) and epoxide group (913 cm–1) are not observed on FTIR spectrum. The foam has relatively uniform closed cell and all the cells can be clearly observed and the cells are almost sphere. The foam has excellent mechanical properties，and the specificcompressive strength is 10.22 MPa · cm3／g. Glass transition temperature is 223℃ and temperature of 5wt% weight loss is 309℃，

which reveals the excellent thermal properties.

Keywords ：cyanate ；epoxy ；foam ；cell ；thermal property ；mechanical property

    泡沫塑料是以气体为填料的复合材料，因其具有质轻、隔热、隔音、热导率低、比强度高且能吸收冲击载荷等优点而被广泛应用于吸附材料、结构材料、包装缓冲材料，能量吸收材料等领域。然而，随着社会的进步，航空航天和航海等科技领域飞速发展，传统泡沫塑料如聚氨酯、酚醛、脲醛、聚氯乙烯、聚苯乙烯等在强度、刚度及耐热性等方面已无法满足使用要求,因此高性能泡沫塑料已成为该领域的研究方向和热点。氰酸酯树脂是20 世纪80 年代开发出来的一类高性能热固性树脂，其固化后形成的三嗪环结构具有优异的尺寸稳定性和热稳定性、优良的力学性能和粘结性能、高的玻璃化转变温度(Tg)(220~290℃ )、低的吸湿率(<1.5%)、低毒性、小的热膨胀系数、极低的介电常数(2.6~3.2) 和极小的介电损耗角正切值(0.002~0.008)。此外，氰酸酯树脂不但有比环氧树脂和双马来酰亚胺树脂更优越的耐湿热性能，而且拥有与环氧树脂相似的工艺性能。然而，氰酸酯树脂单体聚合后交联密度大，加上分子中三嗪环结构的高度对称性和网络结构的刚性，使得树脂固化后韧性不足，再加上其价格较高，限制了其直接使用的范围。因此，需对其提高韧性并降低成本。与环氧树脂共聚是氰酸酯树脂最主要的改性方法之一，其不仅可以提高树脂的性能／价格比，还由于两者之间存在的固有化学反应，使得共聚物的某些性能，如吸湿性和韧性等比两者的均聚物都要优异。如今，大多数商品化的氰酸酯树脂预浸料都是氰酸酯／环氧树脂共聚物。然而，前人大多关注氰酸酯／环氧树脂体系及其固化树脂产品的性能，很少有人在拓展氰酸酯／环氧树脂应用领域方面做研究。笔者针对航空、航天制造业对高性能聚合物基泡沫塑料的发展需求，以市场上易得到的双酚A 型氰酸酯预聚物和双酚A 型环氧树脂为主要原料，偶氮二甲酰胺为发泡剂，采用两步法制备了一种新型的氰酸酯／环氧树脂泡沫塑料，并对其泡孔结构、耐热及力学性能等进行了表征。

1　实验部分

1．1　主要原材料

双酚A 型氰酸酯预聚物；双酚A 型环氧树脂；催化剂：二月桂酸二丁基锡(DBTDL)；

丙酮：分析纯；发泡剂：偶氮二甲酰胺( 分解温度150℃ )；泡沫稳定剂：硅油AK8807，工业级。

1．2　仪器及设备

傅立叶变换红外光谱(FTIR) 仪；差示扫描量热(DSC) 仪：Q200 型；热重(TG) 分析仪：TA2050 型；动态热机械分析(DMA) 仪：RSA–III 型；扫描电子显微镜(SEM) ：Apollo 300 型；电子万能实验机：Instron 5500 型。

1．3　氰酸酯／环氧树脂泡沫塑料的制备

预先配制一定浓度DBTDL 的丙酮溶液，封口胶封口后冰箱内存储备用；分别将氰酸酯预聚物和环氧树脂放入80℃的烘箱内干燥10 min 左右，待两者黏度变低后，分别称取一定量的氰酸酯预聚物和环氧树脂共220 g 于500 mL 烧杯中；再加入一定量的DBTDL 丙酮溶液和用量为树脂质量1.5% 的AK8807，然后放回80℃烘箱内，10 min后，待丙酮挥发将尽，取出烧杯，搅拌均匀后移入140℃油浴中预聚并不断搅拌，搅拌速率为500 r／min ；预聚1 h 后加入用量为树脂质量1% 的发泡剂，6～10 min 后，倒入模温为150℃的模具并放入155℃的烘箱中，待泡沫形成后，在155℃环境下固化2 h，自然冷却至室温并脱模后，将得到的泡沫样品再放入烘箱内后固化，后固化工艺为：180℃／2 h+200℃／2 h+220℃／2 h，自然冷却至室温，制得氰酸酯／环氧树脂泡沫塑料。

2　结论

采用两步法，以氰酸酯和环氧树脂为主要原料制备了氰酸酯／环氧树脂泡沫塑料。在此工艺条件下，氰酸酯／环氧树脂泡沫塑料固化反应完全；所得的泡沫塑料呈闭孔结构，泡孔多为球形且结构均匀；泡沫塑料具有优良的压缩强度和压缩弹性模量；玻璃化转变温度高达223℃，热导率仅为0.059 W／(m · K)，失重5% 的分解温度Td5 高达309℃，800℃的残炭率高达26.6%。所制备的氰酸酯／环氧树脂泡沫塑料是优良的耐热型泡沫材料，未来可通过改

性或填加不同功能性的填料，制备具有不同功能的氰酸酯／环氧树脂泡沫塑料或进一步提高其热力学性能，可以预见本实验所制备的氰酸酯／环氧树脂泡沫塑料将具有更广阔的应用和研究价值。