pdf 二氧化双环戊二烯环氧树脂/聚氨酯互穿聚合物网络的制备及其性能

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2008年第27卷第2期 化 工 进 展 CHEMICAL 1NDUSTRY AND ENGINEE砌NG PROGRESS ·245· 二氧化双环戊二烯环氧树脂/聚氨酯互穿聚合物网络的 制备及其性能 谭怀山。,俞 霞 ,童 丽 ,唐新华3,张小华。,莫 雄。,徐伟箭 ( 湖南大学化学化工学院,湖南长沙410082; 湖南大学土木学院,湖南长沙410082; 巴陵石化有限责任公司,湖南岳阳414004...
2008年第27卷第2期 化 工 进 展 CHEMICAL 1NDUSTRY AND ENGINEE砌NG PROGRESS ·245· 二氧化双环戊二烯环氧树脂/聚氨酯互穿聚合物网络的 制备及其性能 谭怀山。,俞 霞 ,童 丽 ,唐新华3,张小华。,莫 雄。,徐伟箭 ( 湖南大学化学化工学院,湖南长沙410082; 湖南大学土木学院,湖南长沙410082; 巴陵石化有限责任公司,湖南岳阳414004) 摘要:以Ⅳ.对羧基苯基马来酰亚胺(CPMI)和乙二醇单双环戊二烯基醚(EMDCPE)为单体合成了新型共聚 物(CPMI.CO.EMDCPE),将其作为二氧化双环戊二烯环氧树脂(DCPDE)/聚氯酯(PU)互穿聚合物网络(IPNs) 体系的固化剂,以期改善互穿聚合物网络之间的相容性和热性能。采用红外光谱法对固化剂及互穿聚合物网络的 结构进行表征。对不同固化体系涂膜的热稳定性、力学性能和微观形貌进行了研究。研究表明,互穿聚合物网络 的形成,提高了二氧化双环戊二烯环氧树脂的弯曲强度、附着力和抗冲击强度。新型固化剂的加入普遍提高了二 氧化双环戊二烯环氧树脂/聚氨酯互穿聚合物网络的耐热性能,增韧改性后的环氧树脂呈现明显的两相结构。 关键词:二氧化双环戊二烯环氧树脂;聚氯酯;互穿聚合物网络;微观形貌;固化剂 中图分类号:o 631.2 文献标识码:A 文章编号:1000—6613(2008)02—0245—06 Synthesis and properties ofdicyclopentadiene dioxide epoxy/polyurethane IPNs TANHuaishan ,YUXia ,TONGLi ,TANGXinhua ,ZHANGXiaohua ,MOXiong ,XU Weifian ( College ofChemistry and Chemical Engineering,Hunan University,Changsha 410082,Hunan,China: College ofCivil Engineering,Hunan University,Changsha 410082,Hunan,China; Baling Pe~ochemical Co、,Ltd.,Yueyang 414004,Hunan,China) Abstract:Dicyclopentadiene dioxide epoxy(DCPDE)resin was modified by polyurethane(PU) grafting interpenetrating polymer networks(IPNs)based on copolymer(CPMI·-CO·-EMDCPE)as curing agent in order to increase the thermal stability and compatibility of P帅CPDE IPNS,which was started from N- -carboxypheny1)maleimide(CPMI)and ethylene glycol monodicyclopentenylether (EMDCPE)monomers.Infrared spectral analysis was used to characterize the chemical structures of the copolymer and the IPNs. The mechanical properties,thermal stability and morphology of the resulted coatings were also investigated.The results indicated that the formation of DCPDE/PU IPNS increased flexibility,traction and strike ofresulted coatings according to their nature and percentage concentration. The incorporation of copolymers(CPMI—·CO·-EMDCPE)as curing agent into the polyurethane modified dicyclopentadiene dioxide epoxy resin universally increased thermal stability of DCPDE/PU IPNs.Surface morphology of modified dicyclopentadiene dioxide epoxy resin investigated by scanning electron microscopy(SEM)showed that modified DCPDE resin exhibited heterogeneous morphology. Key words:dicyclopentadiene dioxide epoxy(DCPDE);polyurethane;IPNs;morphology;curing agent 二氧化双环戊二烯环氧树脂(DCPDE)价格较 低,合成工艺不复杂,使用简便,性能优异,具有 突出的耐热性、优越的耐候性、较高的硬度和与双 酚A型环氧树脂相近的电性能;它在耐热性、电性 能及耐湿性方面与邻甲酚醛环氧相似,是一种极有 发展前途的产品。尽管二氧化双环戊二烯环氧树脂 具有优良的性能,但它在大多数情况下只能选择少 数有机酸或酸酐固化剂进行固化;同时,由于固化 收稿Et期:2007—09—17:修改稿Et期2007—11—09。 第一作者简介:谭怀山(1961一),男,高级工程师,长期从事化工 技术开发与管理。联系人:徐伟箭,男。教授,博士生导师。E—mail we ianxu.59@l63.咖。 维普资讯 http://www.cqvip.com ·246· 化 工 进 展 2008年第27卷 后形成的是一种交联紧密的刚性高分子结构,其冲 击强度、弯曲强度较低,韧性也低于双酚A型环氧 树脂,因此,其应用受到了限Nt”。 聚氨酯(PU)由于具有良好的生物相容性、高 弹性和机械稳定性而得到了很好的工业应用【2】。Jia 等【3J报道了PU/环氧树脂可以形成互穿聚合物网络 (IPNs)。IPNs具有特殊的物理性能,形成的复合 材料具有优良的性能,多组分IPNs还能够提高材料 的阻尼性能。目前,IPNs的研究主要集中在双酚A型 环氧树脂与聚氨酯的互穿聚合物网络(IPNs)[4—71, 而对综合性能优异的二氧化双环戊二烯环氧树脂 与聚氨酯的IPNs研究较少[8-9】。本研究以含有酰亚 胺刚性结构和含二氧化双环戊二烯环氧树脂母环 结构的单体为共聚单体,采用自由基聚合法合成新 型共聚物(CPMI—CO—EMDCPE)作为DCPDE/PU IPNs的固化剂,形成带有柔性和刚性分子结构的互 穿聚合物网络,改善了二氧化双环戊二烯环氧树脂 的力学性能和耐热性能。由于二氧化双环戊二烯环 氧树脂性能的改善和相应固化剂种类的增多,进一 步拓宽了二氧化双环戊二烯环氧树脂在耐高温涂 料领域内的应用范围。 1 实验部分 1.1试剂和仪器 二氧化双环戊二烯环氧树脂(DCPDE),工业 品,巴陵石化岳阳化工厂;甲苯二异氰酸酯 (TDI一80),工业级,日本三菱化成工业公司;聚 醚二元醇(N2lo’ =1000),工业品,山东东大 化学工业有限公司;二月桂酸二丁基锡,分析纯, 北京中联化工试剂厂;对氨基苯甲酸,分析纯,中 国医药集团上海化学试剂公司;偶氮二异丁腈 (AIBN),化学纯,上海山浦化工有限公司;顺丁 烯二酸酐(MA),分析纯,中国医药集团上海化学 试剂公司;乙二醇,分析纯,上海市第四化学试剂 有限公司;双环戊二烯(DCPD),工业品,99%, 杭州杨利石化有限公司:Ⅳ_对羧基苯基马来酰亚胺 (CPMI)由马来酸酐与对氨基苯甲酸采用2步法合 成【l UJ;乙二醇单双环戊二烯基醚(EMDCPE)由乙 二醇和双环戊二烯进行选择性单边加成合成【l”。 1.2 CPMI.∞-EMDCPE共聚物固化剂的合成 将不同摩尔比的Ⅳ_对羧基苯基马来酰亚胺 (CPMI)单体和乙二醇单双环戊二烯基醚 (EMDCPE)单体溶解在一定量的Ⅳ_甲基吡咯烷酮 (NMP)溶剂中,在N2保护下恒温反应,加入处 理过的引发剂偶氮二异丁腈(AIBN,经无水甲醇重 结晶3次并真空干燥24 h),反应一段时间后冷却至 室温,去离子水沉淀,四氢呋喃洗涤产物中可能存 在的单体和均聚物,分液后再用水沉降,离心分离, 反复3次,40℃真空干燥至恒重。 1.3二氧化双环戊二烯环氧树脂(DCPDE)/聚氨 酯(Pu)互穿聚合物网络(IPNs)的制备 1.3.1—-NCO封端的PU的合成 将已脱水的聚醚二元醇(N2lo’Mn=1000),甲 苯一2,4一二异氰酸酯(TDI)置于装有机械搅拌、冷 凝管、氮气管、温度计的四口瓶中,加入一定量的 催化剂二月桂酸二丁基锡,逐渐缓慢升温至78℃, 恒温反应1~1.5 h后,降温至70℃,然后缓慢滴 加l,4一丁二醇(BDO)后升温至76℃恒温反应1 h, 降至室温后储存备用。 1.3.2 DCPDE/PU形成IPNs的制备 将制备的聚氨酯(PU)按不同质量比加入二氧 化双环戊二烯环氧树脂(经一定比例的石油醚、乙 酸乙酯重结晶使用,熔程182~184℃,环氧值1.07) 中,80℃恒温反应,先后加入催化N-月桂酸二丁 基锡和促进剂(2,4,6一二甲氨基甲基)苯酚 (DMP一30)(质量均为二氧化双环戊二烯环氧树脂 的1%),将增韧改性后的二氧化双环戊二烯环氧树 脂均匀涂在已打磨除锈并用丙酮冲洗多次、烘干后 备用的马口铁片上,按90℃/1 h、110℃13 h、 120℃/4 h、130℃/2 h、150℃/2 h进行热固化, 形成DCPDE/PU互穿聚合物网络(IPNs)。 l‘3.3 加入新型固化剂CPMI—CO—EMDCPE的 DCPDE/PU IPNs的制备 将制备的聚氨酯(PU)按不同比例加入二氧化 双环戊二烯环氧树脂(DCPDE),80℃恒温反应, 先后加入催化N-月桂酸二丁基锡(占二氧化双环 戊二烯环氧树脂质量的1%)和新型固化剂 CPMI—CO—EMDCPE,反应一段时间后,再加入促进 剂2,4,6一二甲氨基甲基苯酚(DMP一30);将增韧改 性后的二氧化双环戊二烯环氧树脂,按照1.3.2节中 的升温程序进行热固化。 1.4性能测试 WQF-410红外光谱仪(北京第二光学仪器厂); INOVA_400核磁共振仪(德国西门子公司);STA449C DIL402PC综合热分析仪(德国耐恩公司),N2气氛, l0℃/m-n;JSM一6700F场发射扫描电镜(日本电子公 司),将粉末状和片状的固化物用导电胶粘在铜板上, 抽真空干燥,喷金后制样;BeekmaneoulterDu 800紫 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 谭怀山等:二氧化双环戊二烯环氧树脂/聚氨酯互穿聚合物网络的制备及其性能 ·247· 外光谱议(美国);QHF型电动漆膜附着力试验仪, 按GB/T l7l3—79进行测定;QCT漆膜冲击器,按 GB/T l72O一79进行测定;QTY-10A型漆膜弯曲试验 器,按GB/T l732—93进行测定;QHQ型漆膜铅笔 划痕硬度仪,按GB/T 6739—86进行测定。 2 结果与讨论 2.1 CPMI.CO.EMDCPE共聚物固化剂的合成 图1是形成共聚物(CPMI.CO.EMDCPE)的红 外谱图,由图1可知:CPMI单体的红外光谱中3057 cm 处是Ph.COOH上H—o的伸缩振动吸收峰。 在1693 cm 处有一强的吸收峰,这是酰亚胺环中 羰基C—O的伸缩振动吸收峰。 从EMDCPE单体的红外光谱图中可以看出位 于3417 cm-1处有明显的羟基伸缩振动吸收峰, 3047 cm 为双键上C—H的伸缩振动吸收峰,1061 cm 处有明显的C—o_c的伸展吸收峰。 从共聚物(CPMI.CO.EMDCPE)的红外光谱图 可以看出在3448 cm 处出现明显的羟基伸缩振动 吸收峰,发生了红移,这是由于单体双键的共轭效 应使N原子上的电子密度渐小,双键打开后,N原 子上的电子集中分布,所以单体的羟基伸缩振动峰 在3417 cm一,聚合后羟基的伸缩振动峰出现在 3448 cm_。。3057 cm 处出现苯环上羧基的H---O 的伸缩振动吸收峰,原CPMI单体谱图中位于858 cm 处C—C伸缩振动吸收峰消失,原EMDCPE 单体谱图中位于700 cm 处C—C的伸缩振动吸收 峰减弱,但在1693 cm 处有一强的吸收峰,酰基 化内酰胺的伸缩振动吸收峰仍然存在,说明聚合反 应是通过打开双键进行的。 2.2形成DCPDE/PUIPNs 图2是DCPDE/PU形成IPNs的红外谱图,其 中PU谱图1074 cm 处为醚键的伸缩振动吸收峰, 图I共聚物(CPMI-co.EMDCPE)的红外谱图 1724 cm 处为氨酯中的羰基伸缩振动吸收峰,在 2270 cm 处有一强的吸收峰,这是异氰酸根 (—NCO)的特征吸收峰,表明PU链端存在着—NCO 结构。DCPDE的红外谱图中831 cm 处有一强的 环氧基的特征吸收峰。DCPDE/PU的谱图中,831 cm 处明显的环氧特征吸收峰与2270 cm 处明显 的—-NCO吸收峰均消失,说明—NCO反应活性很 强,易与活泼氢或环氧基团反应。 图3是DCPDE/PU形成的IPNs中加入固化剂 (CPMI.CO.EMDCPE)后的红外谱图,C是固化剂 (CPMI.co-EMDCPE)的红外谱图,位于3448 cm 处的羟基伸缩振动吸收峰和3057 cm 处Ph.COOH 上}卜-()伸缩振动吸收峰在相应PU/DCPDE/C的红 外谱图中都减弱了,说明固化剂参加了体系的反应。 根据—NCO基团、羟基和环氧基团等特征吸收峰的 变化,可以推测发生了以下几种反应: (1)PU上 的—NCO与固化剂中的羟基反应生成氨酯结构;(2) Pu分子中的氨基甲酸酯基、脲基等含有活泼氢的基 团与相邻分子中的—-NCO在加热时可以发生交联反 应【l2J; (3)在加热时,氨基甲酸酯基上的活泼氢和 固化剂中的羧基还可以与环氧基发生反应。 波数/cm一 图2 DCPDE/PU形成IPNs的红外谱图 波数/cm一 图3 DCPDE/PU IPNs中加入固化剂(CPMI—co-EMDCPE) 的红外谱图 (C为CPMI.c口.EMDCPE) 维普资讯 http://www.cqvip.com ·248· 化 工 进 展 2008年第27卷 2.3 DCPDE/PU IPNs的热稳定性 图4是不同质量组成互穿聚合物网络加入新型 固化剂时与无固化剂时,固化产物的热失重对比分 析曲线。实验分别研究了二氧化双环戊二烯环氧树 脂(DCPDE)与PU质量组成分别为m(DCPDE): m(PU)=60:40、50:50,40:60、30:70、20: 80时涂膜的力学性能。结果表明:随着PU质量分数 的增大,涂膜的力学性能被大大破坏,涂膜的韧性 反而下降,剥离程度增大。可能是由于当PU质量分 数较低时,没有明显的相分离,所表现的是一种增 塑效应;当PU含量大于一定质量分数时,组分间交 联度增加,两相溶度参数差异和“相似相溶”原理,产 生相分离,两相的相畴尺寸变大,互穿程度降低, 从而降低了涂膜的力学性能。因此,具体研究了PU 占二氧化双环戊二烯环氧树脂(DCPDE)的质量分 别为20%、25%、30%、35%时涂膜的热力学性能。 由图4可知,在200~700℃温度范围内,所有的互 穿聚合物网络(IPNs)的TGA曲线都表现了相似的 降解趋势,表明聚氨酯的存在并没有改变基体聚合物 的热降解机理。而新型固化剂(CPMI.∞.EMDCPE) 的加入普遍提高了DCPDE/PU的IPNs热分解温度, 具体如表l数据所示。C-EP.PU体系的最大热分解 温度普遍高出EP-PU体系达70℃左右。尤其在乃 时,C.EP.PU.20体系的热分解温度比EP.PU.20体 系高出161.7℃,C.EP.PU体系的灰分残留量也普遍 高于EP.PU体系,由表l可见,C.EP.PU.20的yc 高达24.0%。这主要是由于新型固化剂分子中刚性酰 亚胺环提高了固化膜的耐热性能。如表l所示,C.EP- PU.30的综合热性能较好。新型固化剂的加入普遍提 高了互穿聚合物网络(IPNs)体系的耐热性能。 图4 DCPDE/PU和DCPDE/PU,CPMI.CO.EMDCPE IPNs的 热失重分析曲线 a,b,c,d—加入CPMI-co-EMDCPE时,PU分别为DCPDE质量的35%、 30*/0、25%、20*/0; I为DCPDE质量的20*/0 表1固化聚合物的热性能数据 环氧固化物 死 Tlo./, 5% o% Yc (10~/min) ,℃ ,℃ ,℃ ,℃ ,℃/% C.EP-PU-35 272.2 309.0 300.5 343.8 493.7 10.2 C.EP.PU-30 270.7 284.6 295.9 387.1 558.7 14.3 C.EP.PU-25 270.1 267.2 291.9 342.7 482.7 9.1 C-EP.PU-2O 271.3 268.4 296.1 357.3 525.0 24.0 EP.PU-20 207.1 259.9 269.6 3l7.6 363.3 3.4 2.4 DCPDE/PU IPNs的力学性能 表2是对1.3.2节和1.3.3节中制备的涂膜力学 性能测试的特征数据。由表2可知:DCPDE/PU IPNs 加入新型固化剂(CPMI.CO.EMDCPE)和未加固化 剂的力学性能相当,都可使二氧化双环戊二烯环氧 树脂的柔韧性、附着力和抗冲击强度达到各相应标 准的最优水平。而以一般酸酐作固化剂,力学性能 普遍较差,这是因为IPNs形成的复合材料具有优良 的性能【3】,使聚氨酯良好的高弹性及二氧化双环戊 二烯环氧树脂突出的耐热性得以体现,从而使其抗 冲击强度及柔韧性大大提高;而分子结构中含母环 结构——双环戊二烯的新型共聚物固化剂(CPMI. CO.EMDCPE)的加入,不仅大大增加了二氧化双环 戊二烯环氧树脂与聚氨酯互穿聚合物网络体系的相 容性,还减少了由于聚氨酯过量而引起过度的相分 离【l3】。 表2不同固化体系对涂膜性能的影响 性 能 DcPD删DcPDE/Pu,cPMI.DcPDE 标 准 CO.EMDCPE,普通酸酐 2.5电镜扫描图片(SEM) 图7(a)是二氧化双环戊二烯环氧树脂以酸酐 为固化剂的SEM图片,由图可见,断面非常平滑, 断口棱角尖锐,断裂后产生的应力方向单一,未出 现应力分散现象,属于脆性断裂。图7(b)为 DCPDE/PU形成互穿聚合物网络的SEM图片,试 样的断裂面圆滑,断面界限模糊,断裂方向趋向分 散,属于韧性断裂,表明该体系是一种互穿聚合物 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 谭怀山等:二氧化双环戊二烯环氧树脂/聚氨酯互穿聚合物网络的制备及其性能 ‘249‘ 网络结构。增韧改性后的二氧化双环戊二烯环氧树 脂呈明显的两相海.岛结构,可使涂膜原有的力学性 能、耐热性能损失较少,这是普通增韧方法无法达 到的【l 。图7(c)为DCPDE/PU互穿聚合物网络 中加入新型固化剂(CPMI.CO.EMDCPE)时的SEM 图片。从图7中看到,(c)图中的相区尺寸比(b) 图中的明显减小,两网络互穿程度高,强迫互容好, 此时两相分散比较均匀,产生了互穿聚合物网络的 协同效应【I 。 (a)酸酐作DCPDE的固化剂 (b)DCPDE/Pl 形成的互穿聚合物网络(IPNs) (c)共聚物(CPMI.CO.EMDCPE)作ⅨH冕/PU互穿聚合物网络(IPNs) 的固化剂 图7不同固化体系扫描电镜照片 3 结 论 FT-IR证实了新型共聚物(CPMI.CO.EMDCPE) 和DCPDE/PU IPNs结构的形成。TGA结果表明: C.EP.PU体系的固化产物最大热分解温度( )普 遍高出EP.PU体系70℃,尤其在乃 时, C.EP.PU.20的热分解温度比EP.PU.20高出 161.7℃,C.EP.PU.20的yc高达24.0%。力学性能 表明:DCPDE/PU IPNs中加入共聚物(CPMI. CO.EMDCPE)和DCPDE/PU IPNs固化后涂膜的力 学性能相当。SEM表明:普通酸酐固化剂的加入, 使体系呈现明显的脆性断裂特征,而新型固化剂的 加入,增加了互穿聚合物网络(IPNs)体系间的相 容性,使互穿程度提高,相畴尺寸减小,增韧改性 后的二氧化双环戊二烯环氧树脂呈明显的两相海. 岛结构。 符号说明 C——共聚物CPMI.CO.EMDCPE 死——最初热分解温度,℃ ——最大热分解温度,℃ yc——700"C时的灰分残留量,% T10%, 5%,T5 一质量损失分别为10%、25%、50% 时的温度,℃ EP.PU-35,EP.PU.30,EP.PU.25,EP.PU.2o_一PU分 别占EP质量的35%,30%,25%,20% 参考文献 [1】Phillps B,Charleston C W Polymerizable compositions containing dicyclopentadiene dioxide and poly·carboxylic acid and resins prepared therefrom:US,2962469[P].1960·1卜29. [2】JiaQM,ZhengM S,ChenHX,et a1.Theglasstransitiontenperature and mierostructure of polyurethane/epoxy resin interpenetrating polymer networks nanocomposites[J].Chinese Science Bulletin, 2oo6,5l(3):293. [3】JiaQM,ZhengM S,ChenHX,et a1.Morphologiesandproperties ofpolyurethane/epoxy resin interpenetrating network nanoeomposites modified with organoelay[J].Materials Letters,2006,60: l3O6一l309. 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二氧化双环戊二烯环氧树脂/聚氨酯互穿聚合物网络的制备及其性能

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