半互穿聚(氨酯-酰亚胺)/环氧树脂网络的纳米尺度相分离：高韧性与热稳定性的协同策略

针对四官能团环氧树脂(TGDDM)固有脆性(KIC<0.6 MPa·m1/2)问题，研究人员设计聚氨酯-酰亚胺(PU/PI)共聚物构建半互穿网络(Semi-IPN)，通过优化界面能实现50 nm级相分离，使断裂韧性提升33%(KIC=0.76 MPa·m1/2)的同时保持Tg>260°C和Td5%=330-341°C，为航空航天用高性能复合材料提供新范式。

　　

研究背景与意义
环氧树脂(EP)在航空航天和电子封装领域占据核心地位，其中四官能团的TGDDM树脂因其交联密度高、热稳定性优异(T_g>250°C)而备受青睐。然而，极端的刚性导致其断裂韧性不足(K_IC<0.6 MPa·m^1/2)，如同玻璃般易碎的缺陷严重制约其在动态载荷场景的应用。传统增韧方法陷入两难境地：添加橡胶会牺牲模量和耐热性，而纳米填料又面临分散难题。如何打破"增韧必损强度"的魔咒，成为材料科学家亟待攻克的难题。

研究设计与方法
中国科学院山西煤炭化学研究所团队创新性地提出"刚柔并济"策略，通过将刚性聚酰亚胺(PI)链段与柔性聚氨酯(PU)链段共聚，合成PU/PI共聚物。利用PU链段中极性基团优化与TGDDM的界面能，采用化学亚胺化法制备半互穿网络结构，通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)、动态力学分析(DMA)和透射电镜(TEM)表征相分离行为，结合断裂韧性测试和热重分析(TGA)评估性能。

研究结果

1. 材料设计与表征：PU/PI共聚物中2270 cm^-1处NCO特征峰消失证实成功合成，PU的柔性链段使环氧树脂接触角从78°降至52°，显著改善相容性。
2. 纳米相分离机制：TEM显示50 nm级微相分离结构，远小于传统热塑性增韧剂的微米级相畴，这种精细结构源于PU/PI与TGDDM的界面能匹配。
3. 力学性能突破：裂纹偏转和能量耗散机制使K_IC提升至0.76 MPa·m^1/2，增幅达33%，而模量仅下降8%，实现强度-韧性协同提升。
4. 热稳定性保留：PI的刚性芳香骨架维持T_g>260°C，5%热失重温度(T_d5%)保持在330-341°C区间，满足航空材料苛刻要求。

结论与展望
该研究通过分子设计破解了环氧树脂"增韧即软化"的困局，PU/PI的刚性-柔性协同效应不仅实现纳米级相分离控制，更开创了界面能调控的新思路。这种可规模化制备的策略为下一代航空复合材料发展提供蓝图，其设计理念可延伸至其他高性能聚合物体系。论文发表于《Polymer》彰显其学术价值，后续研究可探索不同PU/PI比例对相结构的精确调控。