介孔SiO2负载过渡金属化合物多尺度结构协同增韧增强聚苯并噁嗪及其机理研究

Toughening and strengthening of thermoset resin is a hot and difficult topic. Based on basic mechanism of toughening and strengthening and related problems, mesoporous SiO2 loaded with transition metal compounds blended with benzoxazine/thermoset resins in this program. In this system, “sacrificial bond”, the gradient variation of the density, inorganic-organic “interpenetrating network” and reaction induced phase separation structures were formed in one step. When facing the impact, “sacrificial bond” broke first and then other structures broke and meanwhile the corresponding compression after impact (CAI) property of fiber reinforced matrix composites were improved because of the multi-scale structures and the characteristic of low bond energy and dynamic reversibility of “sacrificial bond”. Research on the theory of loading method, loading capacity and loading efficiency of different structures of mesoporous materials. Study on the influences of mesoposrous materials loaded with transition metal compounds on reaction induced phase separation of benzoxazine/thermoset resin. Focus on forming process and morphology of different structures, especially, build up the relationship between curing parameter and curing structure and realize the effective controlling to the structure of the interface. Study the influences of different structures on thermal, mechanical of thermoset resins and CAI property of composites and establish the relationship between structures and properties and illustrate the mechanism and synergistic effect of multi-scale structures on toughening and strengthening. This program will provide a new way for toughening and strengthening of thermoset resin and rich and tamp related theory foundation.

热固性树脂的增韧增强是研究的热点和难点问题。本项目从增韧增强基本原理及存在问题出发，利用“牺牲键”的低键能和动态可逆特性，通过在苯并噁嗪/热固性树脂体系中添加负载过渡金属化合物的介孔SiO2，一步引入“牺牲键”、密度梯度变化层、无机-有机“互穿网络”、反应诱导相分离等多尺度结构，实现多尺度结构协同增韧增强和复合材料冲击后压缩（CAI）性能大幅提升的目的。从理论上研究不同结构介孔材料负载不同过渡金属化合物的负载工艺、负载量、负载效率；研究介孔材料负载过渡金属化合物对苯并噁嗪/热固性树脂反应诱导相分离的影响，建立相分离模型；研究不同结构的形成过程及形貌，建立固化参数与固化物结构之间的相互联系；研究不同结构对固化物热性能、力学性能和CAI性能的影响，建立结构与性能之间的相互关系，揭示不同结构增韧增强机理及多尺度结构协效作用机制。为热固性树脂增韧增强改性开辟出新途径，并进一步丰富和夯实其理论基础。

热固性树脂的增韧增强是研究的热点和难点问题。本项目从增韧增强基本原理及存在问题出发，利用“牺牲键”的低键能和动态可逆特性，通过在苯并噁嗪/第二组份树脂体系中添加负载过渡金属化合物的介孔TiO2，一步引入“牺牲键”、密度梯度变化层、无机-有机“互穿网络”、反应诱导相分离等多尺度结构，实现了多尺度结构协同增韧增强热固性树脂的目的。从理论上研究了介孔材料/苯并噁嗪/第二组分树脂之间存在的固化反应、相分离结构、有机-无机互穿网络结构，尝试建立了其增韧增强与多尺度结构之间的关系；研究了不同种类“牺牲键”对苯并噁嗪固化反应的影响及其对聚苯并噁嗪性能的影响。. 研究结果显示，通过引入介孔粒子、不同种类的“牺牲键”、第二组份树脂，可以在热固性树脂体系中一步制备“牺牲键”结构、有机-无机互穿网络结构、相分离结构等多尺度结构，且该结构对聚苯并噁嗪具有明显的增韧增强作用。在有机-无机互穿网络结构和相分离结构协同作用时，制备的薄膜材料冲击强度最大值为9.31J，相比单体固化物有约20倍的提升，薄膜的表面硬度有两个等级的提升。通过引入过渡金属离子，不仅可以实现对苯并噁嗪的催化，而且，固化后形成的配位键（一种“牺牲键”）及可能生成的金属氧化物粒子对聚苯并噁嗪的韧性具有明显的作用，相应的薄膜材料冲击强度最大值达到3.91J，800℃残碳最高有10%左右的提升。通过引入额外的“牺牲键”体系，实现了聚苯并噁嗪浇铸体冲击强度156%的提升。该体系在保持优异的加工性能的同时，浇铸体的弯曲强度提升了40MPa，Tg提升了14℃。这一结果证实了“牺牲键”在热固性树脂增韧增强过程中的作用，为制备综合性能优异的热固性树脂体系提供了新的方法。. 本研究的相关成果初步建立了结构与性能之间的相互关系，揭示了不同结构增韧增强机理及多尺度结构协效作用机制。相关成果为热固性树脂增韧增强开辟出新途径，并进一步丰富和夯实了其理论基础。