新型多功能微/纳米胶囊的合成及其高性能热固性树脂结构与性能研究

Considering the fact that the current M/NCs cannot be used for developing self-healing high performance thermosetting resin composites owing to their low thermal stability, and the high performance thermosetting resin for developing high-tech and high frequency products have the main disadvantages such as high curing temperature, high coefficient of thermal expansion(CTE) and somewhat higher dielectric property, a new idea of using very thermally stable mutifunctional micro/nano capsules(M/NCs) containing healing agent and having multi-pore wall shell loaded with catalysty, thermally conductive and hollow particles to solve the above meantioned problems will be put forward based on the mutifunctional applications of M/NCs in resin matirx. In this project, the typical high performance thermosetting bismaleimide(BMI) resins will be selected as the investigated resins. The main research contents will include the design and synthesis of multifunctional M/NCs, the structure characterization and property testing of M/NCs, the mechanism of action between the healing agent core materials and their catalysts, the effects of M/NCs on the structure and property of BMI resins, the favorable conditions for self-healing and the self-healing efficiency, etc. Based on that, the multifunctional M/NCs will be obtained, the relationships between the structure and property of M/NCs and the structure and property of BMI will be clarified. And finally, the systematic consolidation of self-healing ability, low temperature curing, low CTE and low dielectric property for BMI resin system will be realized, and a novel theory model and technical frame of high performance resins for preparing high-tech and high frequency products will be founded.

针对目前微/纳米胶囊(M/NCs)在发展自修复高性能热固性树脂基复合材料存在耐热性差与高性能热固性树脂在发展高科技高频技术领域产品中存在固化温度高、热膨胀系数(CTE)高及介电性能偏高等问题，基于M/NCs在树脂基复合材料应用潜力，提出以负载催化剂、导热及中空粒子的具有孔隙结构囊壁的含修复剂的耐热性优异的多功能M/NCs解决上述问题的新思路。项目以典型高性能热固性双马来酰亚胺(BMI)树脂为研究对象。研究内容主要包括：多功能M/NCs设计与合成；M/NCs结构表征与性能测试；囊芯修复剂与其催化剂作用原理；M/NCs对BMI结构与性能影响规律；材料实现自修复条件及自修复效率等。通过研究，获得多功能M/NCs，阐明M/NCs结构与性能-BMI树脂结构与性能关系，最终实现BMI树脂的自修复、低温固化、低CTE、低介电性能的有机统一，建立制备高科技高频领域产品用的高性树脂体系新理论模型与技术框架。

高性能热固性树脂固化产物存在韧性差等缺点，在受外力等作用下易产生微裂纹，造成材料性能下降，使用寿命缩短。虽然将含有修复剂的胶囊埋植在树脂基体中，其在适当控制条件下可粘合裂纹，达到恢复材料性能并增韧树脂基体。但是目前多数胶囊热稳定性较差，不能满足材料高温工艺，同时还会降低材料热性能。此外，高性能热固性树脂在发展高科技高频技术领域产品中存在固化温度高、热膨胀系数(CTE)及介电性能偏高等问题。研究表明，有机-无机杂化壳胶囊可明显改善胶囊热性能并赋予材料多功能性。项目拟合成一种负载催化剂耐热性优异的有机-无机杂化囊壁微/纳米多功能微胶囊(M/NCs)解决上述问题。项目主要研究内容有：. 采用界面聚合法，以环氧树脂、纳米氮化硼(BN)、介孔二氧化硅(SBA-15) 及固化剂(HTW-208)为原料，合成BN/SBA-15/环氧树脂聚合物杂化壳包覆环氧树脂M/NCs。所合成的M/NCs为球形，粒径范围为：400nm～140μm，平均粒径为28～35μm，初始分解温度达309°C，杨氏模量可达3.1±0.65GPa，具有优越的耐热性和力学性能。. 将M/NCs加入到双马来酰亚胺/烯丙基双酚A（BMI/DBA）树脂体系中，采用低温固化工艺制备BMI/DBA/M/NCs体系。探讨不同含量(3、5、7、10及15wt%)的胶囊对材料力学性能、热性能、介电性能、导热性能、热膨胀性能、阻燃性能及自修复性能的影响。研究表明，M/NCs囊壁中BN含有-NH2及SBA-15吸附有固化剂，其可促进树脂聚合反应。当M/NCs含量为10wt%时，BMI/DBA/M/NCs综合力学性能最佳，其断裂韧性及弯曲强度分别比BMI/DBA提高36%及16%。当M/NCs含量为7wt%时，BMI/DBA/M/NCs热导率约是BMI/DBA的1.5倍。此外，适量M/NCs可维持基体的热性能，提高阻燃性，降低热膨胀系数、介电性能。在加热条件下，BMI/DBA/M/NCs自修复效率可达98%。. 项目中所合成的M/NCs实现了高性能热固性树脂自修复、低温固化、低CTE、低介电性能的有机统一，解决了制备高科技高频领域产品用的高性树脂体系应用瓶颈问题，积极促进高性能树脂应用，在构建了高性能树脂体系新理论模型与技术框架方面具有重要科学意义。