新型羟甲基化邻苯二甲腈基联苯型酚醛树脂的制备与性能研究

本项目主要开展新型羟甲基化邻苯二甲腈基联苯型酚醛树脂合成及其结构与性能关系研究。本项目从分子结构设计出发，通过调控反应条件，合成了一系列新型的羟甲基化邻苯二甲腈基联苯型酚醛树脂。该树脂的分子结构中含大量苯环，可提高树脂的残碳率，改善其成碳质量;氰基官能团和苯醚结构，可赋予树脂加成固化的特点和良好的热氧化稳定性;羟甲基与氰团间的协同作用，可降低树脂的固化温度，赋予树脂良好的固化工艺性能。通过开展该树脂的固化反应机理、热解机理和裂解机理研究，阐述其分子结构与热性能之间的关系，可为耐烧蚀、耐高温聚合物的分子设计、合成方法及预测其复合材料的热性能提供理论依据。该项目的顺利完成可为新型耐烧蚀、耐高温复合材料基体树脂的制备开辟一条可行的新途径，对于满足我国航空航天事业对特种材料的需求具有重要意义。

本项目从分子结构设计的角度出发，成功合成了结构中含邻苯二甲腈基团的三种新型酚醛树脂，包括羟甲基化邻苯二甲腈基联苯型酚醛树脂（MPBN）、羟甲基化邻苯二甲腈基苯酚-甲醛树脂（MPN）和邻苯二甲腈基苯酚-甲醛树脂（PN），并对其分子结构特征、工艺性能、固化行为、耐热性、残碳性能及热氧稳定性进行了研究。研究结果表明，PN树脂具有最好的综合性能。实现了PN树脂的公斤级制备，评价了该树脂作为烧蚀防热复合材料基体树脂的适用性，并通过开展该树脂的热解动力学和碳化行为及特征研究，进行了树脂结构与性能关系的研究。结果表明，PN具有优良的加工工艺性能、固化工艺性能、热稳定性和残碳性能。差示扫描量热分析（DSC）的结果表明，PN树脂在150℃下即可开始固化，且经过（150℃，4h→180℃，4h→220℃，4h→250℃，4h）的固化即可获得优良的热性能。热重分析（TGA）的测试结果表明，PN树脂固化物5%失重温度约为440℃，900℃下的残碳率约为72%，分别较传统酚醛树脂提高约100℃和12%。制备了该树脂的玻璃布和高硅氧短切纤维复合材料，对其力学性能和烧蚀性能进行了评价。力学性能测试结果表明，该复合材料室温的弯曲强度约为500MPa，层间剪切强度约为30.5MPa，350℃下的强度保留率达到70%，表现出优良的室温和高温力学性能。动态热机械分析（DMA）的研究结果表明，石英布/PN树脂复合材料的储能模量起始下降温度和损耗因子峰值温度分别为364℃和415.5℃，说明该复合材料具有优良的耐热性。该复合材料顺利通过烧蚀实验的考核，结果表明，样件的烧蚀表面均匀平整，线烧蚀率仅为0.083mm/s，明显优于传统的酚醛树脂,表明PN树脂是一种优良的烧蚀复合材料基体树脂。本项目的顺利完成为耐烧蚀、耐高温树脂的分子设计及结构性能关系研究提供了基础数据，为新型耐高温、耐烧蚀的高性能基体树脂的研制提供了一条可行的新途径，并有望为我国航天工业提供一种新型的耐烧蚀树脂基体，具有一定的理论意义和应用价值。