胺与甲醛的缩合反应,通常归类为Mannich型反应或更一般的亚胺离子基反应,为合成多种化合物提供了多样的途径[1,2]。反应条件显著影响主要产物的结构及副产物的分布。因此,巧妙地调节反应参数可以成为定制甲醛-胺缩合产物结构和性能的强大工具。例如,苯胺与强酸(如三氟醋酸)反应可生成称为Tr?ger碱的独特环状结构[3,4]。而传统的树脂聚合物则是通过甲醛与三聚氰胺和尿素在碱性条件下的反应形成的,这些聚合物在众多应用中得到广泛应用[5],[6],[7]。此外,甲醛和伯胺的化学反应还能够在中性有机溶剂中一步合成三嗪烷(1,3,5-六氢-1,3,5-三嗪)[8,9]。
在甲醛-胺缩合产物中,聚(1,3,5-六氢-1,3,5-三嗪)(PHTs)因其优异的性能和在高性能应用中的潜力而成为一类有前景的热固性材料。这些材料可通过芳香族二胺与甲醛的缩合聚合轻松制备。该过程包括形成半胺和亚胺中间体,随后它们热转化为PHT。此外,PHT的合成既可大规模进行又成本低廉。值得注意的是,基于4,4′-氧联苯胺(ODA)的PHTs表现出卓越的机械性能。例如,纳米压痕测量显示纯PHT的杨氏模量约为14.0 GPa,而添加碳纳米管(CNTs)的PHT的杨氏模量约为20.0 GPa[10]。
此外,1,3,5-六氢-1,3,5-三嗪核心可以容易生成N-亚甲基胺中间体,这些中间体在路易斯酸催化下与各种亲核试剂反应时表现出很高的价值[11],[12],[13],[14],[15],[16]。
显然,N-亚甲基胺中间体的反应性在聚合物科学中具有巨大潜力,尤其是在聚合后改性方面。众所周知,反应性共混概念是指组分之间的化学反应,生成共价键,从而增强界面粘附性和材料均匀性[17],[18],[19]。因此,三嗪烷是调节聚合物材料性能(如热响应和粘附特性)的良好候选者[20]。
除了这些性能外,三嗪烷在合成1,3-苯并恶嗪(又称苯并恶嗪树脂)方面也表现出高效性,其产率高于传统的苯并恶嗪合成方法[21],[22],[23],[24]。苯并恶嗪树脂另一类反应性分子,在加热至180–250°C时可以发生聚合[25],[26],[27],[28],[29],[30],[31],[32]。这一过程生成了能够进行Friedel-Crafts型反应和取代反应的反应性阳离子中间体[33,34]。整体机制是通过热驱动的阳离子开环聚合实现的[35,36]。所得的聚合物网络包含类似诺沃拉克树脂(Novolac resin)的酚醛和胺桥结构单元(图2)。
聚苯并恶嗪因其优异的特性而受到科学界和工业界的广泛关注,被认为是传统酚醛树脂的有力竞争者[37],[38],[39],[40],[41],[42],[43],[44],[45],[46]。人们对聚苯并恶嗪的兴趣日益增加,其原因包括低吸水性、固化过程中的最小收缩率、高玻璃化转变温度、高焦炭产率、低介电常数、出色的机械性能以及对酸和碱的耐受性[34],[47],[48],[49],[50]。显然,这些优势特性使聚苯并恶嗪成为高性能应用的理想选择。因此,商业化的聚苯并恶嗪产品已经找到了市场,尤其是在航空航天复合材料和电子电路板领域。
尽管PHT及其复合材料具有独特的机械性能和对有机溶剂的优异稳定性,但在低pH值下容易分解。另一方面,聚苯并恶嗪表现出极高的耐酸性,这可以提高混合物中PHT的耐酸性。此外,苯并恶嗪适用于反应性共混策略,这种策略能够生成共价键并克服物理共混带来的界面粘附性问题[51],[52],[53],[54]。
在本研究中,我们采用反应性共混策略将苯并恶嗪共聚物与ODA-PHT树脂结合。所有反应均在一批次中完成,以简化制备过程。苯并恶嗪单体的独特反应性和聚苯并恶嗪的优异性能为这类材料的改进提供了机会,包括对基底的强粘附性、更好的耐酸性和高热稳定性。