1,3-苯并嗪与1,3,5-三嗪烷的反应性共混,用于制备具有优异粘附性、耐酸性和化学稳定性的耐热性热固性材料

《European Polymer Journal》:Reactive blending of 1,3-benzoxazines and 1,3,5-triazinanes for durable thermosets with enhanced adhesion, acid resistance and chemical stability

【字体: 时间:2025年11月07日 来源:European Polymer Journal 6.3

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  本研究通过单步共混反应合成聚苯氧嗪-三嗪共聚物,显著提升材料酸抵抗性(保留91%质量)和附着力(4.61MPa),并增强热稳定性(800℃残炭35%),克服传统PHT树脂酸敏感问题。

  
Nur Sena Okten Besli|Gizem Kaya|Baris Kiskan
伊斯坦布尔技术大学,科学与文学学院,化学系,Maslak,伊斯坦布尔34469,土耳其

摘要

开发具有增强化学和机械性能的高性能热固性材料对于要求苛刻的应用至关重要。本研究报道了一种新的反应性共混方法,通过将1,3,5-三嗪与1,3-苯并恶嗪结合,合成了聚苯并恶嗪-三嗪烷共聚物作为混合热固性材料。利用4,4′-氧联苯胺(ODA)和基于双酚A的苯并恶嗪(BA-a)通过经济高效的一锅法合成聚合物网络。所得的BA-a/ODA-PHT混合物表现出显著提高的耐酸性,在0.1 M HCl中30天后仍保持其质量的91%。相比之下,未经改性的ODA-PHT仅保留了40%的质量。此外,这些混合物对低碳钢的粘附力提高了四倍(分别为4.61 MPa和0.99 MPa),并且对液压油、机油和喷气燃料等腐蚀性液体具有优异的耐受性。热重分析显示,BA-a/ODA-PHT在800°C时的热稳定性得到增强,焦炭产率为约35%。进一步表征采用了核磁共振(NMR)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和差示扫描量热法(DSC)等光谱和热分析技术。

引言

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。

材料

4,4-异丙基二酚(双酚A)(Aldrich,97%),甲醛(Sigma-Aldrich,95.0–100%),苯胺(Merck,99.5%),烯丙胺(Sigma-Aldrich,98%),对甲酚(4-甲基苯酚,Sigma-Aldrich,≥99.0%),1,4-二氧环己烷(Merck,99%),乙醚(Merck,99.7%),氢氧化钠(Merck,99%),盐酸(HCl,Sigma-Aldrich,37.0%),硫酸钠(Na?SO?,Sigma Aldrich,≥99%),4,4′-氧联苯胺(ODA,Sigma Aldrich,97%),N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP,Sigma Aldrich)

结果与讨论

如前所述,聚苯并恶嗪具有低收缩率、高热稳定性和强耐酸性等优异性能,使其成为高性能应用的理想选择。通过将苯并恶嗪作为共聚物与ODA-PHT树脂通过反应性共混结合,可以在经济高效的一锅法中显著改善材料的粘附性、耐酸性和热稳定性等性能。由于ODA-PHT易受酸的影响,而三嗪烷...

结论

本研究展示了通过1,3,5-三嗪与苯并恶嗪的反应性共混成功开发出高性能热固性网络,生成了具有优异性能的共价键合聚苯并恶嗪-三嗪烷共聚物。将BA-a苯并恶嗪与ODA-PHT结合显著提高了耐酸性、对金属基底的粘附性和热稳定性,并克服了原始PHT的一些局限性,如易受酸降解的问题。

作者贡献声明

Nur Sena Okten Besli:方法学研究、数据整理。Gizem Kaya:方法学研究、数据整理。Baris Kiskan:初稿撰写、项目监督、项目管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

作者衷心感谢伊斯坦布尔技术大学研究基金提供的财务支持。N.S.O.B.和G.K.对TUBITAK(土耳其科学技术研究委员会)提供的2211-A奖学金表示感谢。作者还感谢Ozgur Birer提供的基础设施支持。
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