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CN111499866B - 一种高效催化固化苯乙炔封端聚酰亚胺树脂体系的制备方法 - Google Patents

一种高效催化固化苯乙炔封端聚酰亚胺树脂体系的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高效催化固化苯乙炔封端聚酰亚胺树脂体系的制备方法，属于材料领域。所述方法如下：配制苯乙炔封端聚酰亚胺树脂溶液，在树脂体系中加入新型高效、催化剂，对添加了新型高效复配催化剂的树脂体系进行梯度固化，首先在120℃温度下固化1h，然后在240℃温度下固化2h，最后在300℃温度下固化3～4h，即得到固化完全的苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂。本发明的优点是：本发明制备的苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂固化温度明显下降，最高固化温度不超过300℃。本发明中苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂低温固化工艺可靠，采用新型高效催化剂催化固化反应，使得反应均匀，操作简单，工艺稳定，适用于工业化生产。

Description

一种高效催化固化苯乙炔封端聚酰亚胺树脂体系的制备方法
技术领域
本发明属于采用树脂领域，具体涉及一种高效催化固化苯乙炔封端聚酰亚胺树脂体系的制备方法。
背景技术
苯乙炔封端聚酰亚胺是20世纪90年代左右发展起来的一种高性能树脂，分子结构中含有酰亚胺五元杂环结构，由含有活性苯乙炔端基的酰亚胺低聚物固化交联而成，固化产物主要是芳香结构。这种结构赋予了聚酰亚胺树脂具有较高的玻璃化转变温度，在270℃以上，能够在高温下长期使用，热分解温度可以达到500℃以上。同时，其机械性能也十分优异，具有较低的热膨胀系数，良好的介电性能，广泛应用在航空、航天、微电子、纳米、液晶、分离膜、激光等高温领域。
但是由于苯乙炔基的共轭效应和位阻效应，导致苯乙炔基封端的聚酰亚胺固化需要克服阻力很大，活化能很高，固化温度在370℃以上。高温长时间的固化常常使得到的固化物内部存在较多的残余应力，造成材料服役性能的稳定性差，从而严重阻碍苯乙炔封端聚酰亚胺树脂及其相关材料的发展与大规模应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决苯乙炔封端的聚酰亚胺树脂固化温度高的问题，而提供一种高效催化固化苯乙炔封端聚酰亚胺树脂体系的制备方法，制备的苯乙炔封端聚酰亚胺树脂仍然能够保持优异的耐热性能。
本发明针对苯乙炔封端的聚酰亚胺树脂固化温度高的问题，外加自由基催化剂引发苯乙炔基进行交联，并使用配位催化剂对聚酰亚胺树脂交联结构进行定向调控。选择自由基催化剂(过氧化氢异丙苯)和配位催化剂(环烷酸钴)对苯乙炔封端的聚酰亚胺进行共同催化，利用两种催化剂的协同作用，加强对树脂的固化反应的催化效果，进而降低树脂体系的固化温度，实现降低固化温度的目的。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种高效催化固化苯乙炔封端聚酰亚胺树脂体系的制备方法，所述方法具体步骤如下：
步骤一：配制质量分数60～80％的苯乙炔封端聚酰亚胺树脂，在室温下，向得到的树脂中加入新型高效催化剂混合均匀，其中，树脂体系与自由基催化剂和配位催化剂的质量比为100：1～4：1，在60℃下，将树脂胶液混合体系放入真空烘箱中进行抽真空处理，处理时间为1～2h；
步骤二：对添加了催化剂的树脂体系进行梯度固化：首先在120～140℃温度下固化1h，然后在240～250℃温度下固化2～3h，最后在300℃温度下固化3～4h，即得到固化完全的苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂。
进一步地，步骤一中，所述苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂为60份，1，4-二氧六环为40份；树脂体系与过氧化氢异丙苯和环烷酸钴的质量比为100：4：1。
进一步地，步骤二中，梯度固化制度为120℃温度下固化1h，然后在240℃温度下固化2h，最后在300℃温度下固化3h。
进一步地，步骤一中，所述苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂为80份，1，4-二氧六环为20份，树脂体系与过氧化氢异丙苯和环烷酸钴的质量比为100：3：1。
进一步地，步骤二中，梯度固化制度为140℃温度下固化1h，然后在250℃温度下固化2h，最后在300℃温度下固化4h。
进一步地，步骤一中，所述苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂为75份，1，4-二氧六环为25份，树脂体系与过氧化氢异丙苯和环烷酸钴的质量比为100：1：1。
进一步地，步骤二中，梯度固化制度为125℃温度下固化1h，然后在245℃温度下固化2h，最后在300℃温度下固化3h。
进一步地，步骤一中，所述苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂为75份，1，4-二氧六环为25份，树脂体系与过氧化氢异丙苯和环烷酸钴的质量比为100：4：1。
进一步地，步骤二中，梯度固化制度为130℃温度下固化1h，然后在245℃温度下固化2h，最后在300℃温度下固化3h。
进一步地，步骤一中，在室温条件下，将树脂胶液混合体系放入真空烘箱中进行抽真空处理，处理时间为1.5h。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
本发明制备的苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂固化温度明显下降，最高固化温度不超过300℃，远低于现有技术中苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂的固化温度371℃；本发明在≤300℃的固化温度下苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂仍然保持其优良的耐热性(T5％≥520℃)。本发明中苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂低温固化工艺可靠，采用新型高效复配催化剂催化固化反应，使得反应均匀，操作简单，工艺稳定，适用于工业化生产。
附图说明
图1为本发明低温固化苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂的红外分析图谱；其中，
Figure BDA0002525118250000031
为样品一，
Figure BDA0002525118250000032
为样品二；
图2为本发明低温固化苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂的TGA分析图谱；其中，
Figure BDA0002525118250000033
为样品一，
Figure BDA0002525118250000034
为样品二。
具体实施方式
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。
本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明包括两部分。第一部分是新型高效催化剂的设计。由于苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂固化温度较高，固化反应阻力大，本发明设计一种新型高效复配催化剂，可以有效降低固化反应活化能，从而使苯乙炔基封端的聚酰亚胺脂体系可以在低温固化的同时保持优异耐热性能。本发明通过将过氧化氢异丙苯与环烷酸钴协同作用，大幅度降低苯乙炔基封端聚酰亚胺树脂的固化反应活化能，进而实现低温固化。苯乙炔封端的聚酰亚胺树脂固化时主要发生了自由基聚合反应，过氧化氢异丙苯和环烷酸钴都对自由基聚合反应具有一定的催化反应，故用来作为固化体系的催化剂，使反应活化能降低，从而实现低温固化。这种新型高效复配催化剂催化苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂固化体系的机理如下：首先，过氧化氢异丙苯中的活泼氢首先会催化苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂中的苯乙炔官能团发生三聚反应，生成具有多烯或多元环结构的交联网状结构。随后，在活泼氢助催化剂共同作用下，有机钴类催化剂与苯乙炔官能团形成金属—π键中间体，从而催化苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂的固化反应。
第二部分是低温固化工艺的建立。苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂的固化温度一般在371℃以上，只有在此温度下固化才能使固化产物的性能达到要求。当固化温度低于此温度时，苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂固化不完全，无法保持其优异的耐热性能，为了使苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂在低温固化的条件下仍然保持优良性能，需要开发新的固化工艺。本发明采用梯度温度固化，使苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂体系固化完全，可以应用在很多要求在低温固化的领域，并保持苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂的优异性能。
实施例1：
一种高效催化固化苯乙炔封端聚酰亚胺树脂体系的制备方法，具体步骤如下：
A、制备苯乙炔基聚酰亚胺树脂体系
称量60份的苯乙炔基封端的聚酰亚胺和40份的1，4-二氧六环，将两者混合，得到苯乙炔基封端聚酰亚胺树脂溶液；
B、新型高效催化剂与树脂体系的混合
新型高效催化剂由过氧化氢异丙苯和环烷酸钴按照20：80的质量比组成；将新型催化剂与树脂体系在室温下混合，使用磁力搅拌器不断搅拌2h，保证二者混合均匀，其树脂体系与过氧化氢异丙苯和环烷酸钴的质量比为100：4：1；
C、梯度温度固化工艺的建立
将混合后的树脂体系和新型高效复配催化剂在真空烘箱中60℃恒温3h，除去体系中大部分溶剂，然后在120℃温度下恒温1h，将溶剂完全除净，然后在240℃温度下固化2h，最后在300℃温度下固化3h，即得到固化完全的苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂；其中，真空烘箱为上海一恒科技有限公司的DZF-6000系列真空干燥箱。
对本实施例得到的树脂固化物进行红外光谱测试，测试结果如图1所示，其中样品一是未加催化剂完全热固化的苯乙炔基封端的聚酰亚胺固化后的产物，样品二是添加了催化剂的苯乙炔基封端的聚酰亚胺固化后的产物，从光谱图中可知：催化剂在树脂的固化过程中起到了催化作用，使得在较低的温度下苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂可以打开碳碳三键进行交联固化。
根据红外光谱测试，可以初步得到树脂浇铸体中的结构，图中几种红外光谱吸收峰表征的官能团如表1所示。
表1红外吸收峰对应官能团
Figure BDA0002525118250000041
实施例2：
一种高效催化固化苯乙炔封端聚酰亚胺树脂体系的制备方法，具体步骤如下：
A、制备复配催化剂和苯乙炔基聚酰亚胺树脂体系
称量70份的苯乙炔基封端的聚酰亚胺和30份的1，4-二氧六环，将两者混合，得到苯乙炔基封端聚酰亚胺树脂溶液；
B、新型高效催化剂与树脂体系的混合
新型高效催化剂由过氧化氢异丙苯和环烷酸钴按照20：80的质量比组成。将新型催化剂与树脂体系在室温下混合，使用磁力搅拌器不断搅拌2h，保证二者混合均匀，其树脂体系与过氧化氢异丙苯和环烷酸钴的质量比为100：3：1；
C、梯度温度固化工艺的建立
将混合后的树脂体系和新型高效复配催化剂在真空烘箱中60℃恒温3h，除去体系中大部分溶剂，然后在120℃温度下恒温1h，将溶剂完全除净，然后在240℃温度下固化2h，最后在300℃温度下固化4h，即得到固化完全的苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂。
对本实施例得到的树脂固化物进行热重分析测试(TGA)，测试结果如图2所示，样品一是苯乙炔基封端的聚酰亚胺完全热固化的样品粉末，样品二是苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂在本实施例操作下固化的样品粉末，从图中可以大致看出样品一和样品二的热分解温度没有明显的变化，通过计算可知：样品一的5％热分解温度为T5％＝557.5℃，样品二的热分解温度为T5％＝538.3℃。由此可知，本实施例操作中的固化制度对树脂固化物的热分解温度的影响不大。
实施例3：
一种高效催化固化苯乙炔封端聚酰亚胺树脂体系的制备方法，具体步骤如下：
A、制备复配催化剂和苯乙炔基聚酰亚胺树脂体系
称量80份的苯乙炔基封端的聚酰亚胺和20份的1，4-二氧六环，将两者混合，得到苯乙炔基封端聚酰亚胺树脂溶液；
B、新型高效催化剂与树脂体系的混合
新型高效催化剂由过氧化氢异丙苯和环烷酸钴按照20：80的质量比组成。将新型催化剂与树脂体系在室温下混合，使用磁力搅拌器不断搅拌2h，保证二者混合均匀，其树脂体系与过氧化氢异丙苯和环烷酸钴的质量比为100：1：1；
C、梯度温度固化工艺的建立
将混合后的树脂体系和新型高效复配催化剂在真空烘箱中60℃恒温3h，除去体系中大部分溶剂，然后在120℃温度下恒温1h，将溶剂完全除净，然后在240℃温度下固化2h，最后在300℃温度下固化3h，即得到固化完全的苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂。

Claims (10)

1.一种高效催化固化苯乙炔封端聚酰亚胺树脂体系的制备方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：
步骤一：制备复配催化剂和苯乙炔基聚酰亚胺树脂体系：
称量60～80份苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂和20～40份1，4-二氧六环，并将它们在室温下混合均匀，得到苯乙炔基封端聚酰亚胺树脂溶液，在室温下，向苯乙炔基封端聚酰亚胺树脂溶液中加入复配催化剂，其中，复配催化剂为过氧化氢异丙苯和环烷酸钴混合物；苯乙炔基封端聚酰亚胺树脂溶液与过氧化氢异丙苯和环烷酸钴的质量比为100：1～4：1；在室温条件下，将树脂胶液混合体系放入真空烘箱中进行抽真空处理，处理时间为1～2h；
步骤二：对步骤一得到的树脂胶液混合体系进行梯度固化：首先在120～140℃温度下固化1h，然后在240～250℃温度下固化2h，最后在300℃温度下固化3～4h，即得到固化完全的苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂。
2.根据权利要求1所述的一种高效催化固化苯乙炔封端聚酰亚胺树脂体系的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂为60份，1，4-二氧六环为40份；树脂体系与过氧化氢异丙苯和环烷酸钴的质量比为100：4：1。
3.根据权利要求1所述的一种高效催化固化苯乙炔封端聚酰亚胺树脂体系的制备方法，其特征在于：步骤二中，梯度固化制度为120℃温度下固化1h，然后在240℃温度下固化2h，最后在300℃温度下固化3h。
4.根据权利要求1所述的一种复配催化剂催化的低温固化苯乙炔基聚酰亚胺树脂体系制备方法，其特征在于：步骤一中，所述苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂为80份，1，4-二氧六环为20份，树脂体系与过氧化氢异丙苯和环烷酸钴的质量比为100：3：1。
5.根据权利要求1所述的一种复配催化剂催化的低温固化苯乙炔基聚酰亚胺树脂体系制备方法，其特征在于：步骤二中，梯度固化制度为140℃温度下固化1h，然后在250℃温度下固化2h，最后在300℃温度下固化4h。
6.根据权利要求1所述的一种复配催化剂催化的低温固化苯乙炔基聚酰亚胺树脂体系制备方法，其特征在于：步骤一中，所述苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂为75份，1，4-二氧六环为25份，树脂体系与过氧化氢异丙苯和环烷酸钴的质量比为100：1：1。
7.根据权利要求1所述的一种复配催化剂催化的低温固化苯乙炔基聚酰亚胺树脂体系制备方法，其特征在于：步骤二中，梯度固化制度为125℃温度下固化1h，然后在245℃温度下固化2h，最后在300℃温度下固化3h。
8.根据权利要求1所述的一种复配催化剂催化的低温固化苯乙炔基聚酰亚胺树脂体系制备方法，其特征在于：步骤一中，所述苯乙炔基封端的聚酰亚胺树脂为75份，1，4-二氧六环为25份，树脂体系与过氧化氢异丙苯和环烷酸钴的质量比为100：4：1。
9.根据权利要求1所述的一种复配催化剂催化的低温固化苯乙炔基聚酰亚胺树脂体系制备方法，其特征在于：步骤二中，梯度固化制度为130℃温度下固化1h，然后在245℃温度下固化2h，最后在300℃温度下固化3h。
10.根据权利要求1所述的一种复配催化剂催化的低温固化苯乙炔基聚酰亚胺树脂体系制备方法，其特征在于：步骤一中，在室温条件下，将树脂胶液混合体系放入真空烘箱中进行抽真空处理，处理时间为1.5h。
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