通过实验和分子动力学模拟研究聚氨酯改性酚醛树脂的热解机理

《Industrial & Engineering Chemistry Research》：Investigation of Polyurethane-Modified Phenolic Resin Pyrolysis Mechanism via Experiments and MD Simulation

降低热防护材料低温热解温度的创新研究及机理分析。通过共价键引入聚氨酯结构改性酚醛树脂，成功将初始热解温度从425℃降至358℃，并揭示了250-600℃不同阶段的热解机制及气体释放行为，包括碳酸盐断裂、软段降解和自由基催化效应。

　　

热阻隔效应是烧蚀热防护材料散热的核心机制。通过改变烧蚀基体的分子结构来调节热解温度范围，并研究热分解过程中的热解机制和气体释放行为，对于新型先进烧蚀材料的设计至关重要。在本研究中，我们通过共价键将聚氨酯（PU）结构引入酚醛树脂（PRs）的分子框架中，从而降低了其低温热解范围，并成功制备了两种具有不同软硬段比例的聚氨酯改性酚醛树脂（PR-PUs）。通过实验表征和分子动力学（MD）模拟相结合的方法，对PR-PUs的气体产物及热解机制进行了监测与分析。热重分析（TGA）结果显示，引入PU后PR的热分解过程得到改善，PR-PUs的初始分解温度（T_d5%）从PR的425 °C降至250-PR-PU-15%样品的358 °C（降低了17.7%）。在250–400 °C的初始热解阶段，脲基团的分解会产生CO₂和乙烯；在400–600 °C范围内，PU中的软段会释放出醛类、酮类和环醚类小分子。此外，PU产生的含氧自由基会促进PR重复单元的热分解。引入PU显著改变了PR的热解机制和气体释放行为，尤其是在250–600 °C温度区间。本研究为设计新型耐烧蚀酚醛树脂提供了新的见解和理论基础。