衣康酸基硅骨架环氧树脂的设计、合成和性能研究

Studies on bio-based epoxy resins have great significance on saving petroleum resources and protecting environments. However, the reported bio-based epoxy resins did not reach the glass transition temperature (Tg) and toughness of bisphenol a epoxy resin simultaneously. Thus, this project will synthesize a series of bio-based silicon framework epoxy resins with good toughness and high glass transition temperature from itaconic acid with rich biosources and flexible organosilicon compounds. The influence of the structure of silicon framework on the thermal, mechanical and flame retardant properties of the epoxy resins will be investigated and new resouse, idea and method of the synthesis of bio-based epoxy resins will be explored, which will lay foundations for replacement of petroleum-based epoxy resins by bio-based epoxy resins. On this basis, a systematic investigation on the influence of the structure of silicon framework on the toughness and Tg will be conducted by dynamic mechanical measurement, and the relationships among silicon frameworks, relaxations and properties of the epoxy resins will be established to provide a scientific basis for the design of high performance silicon framework epoxy resins.

以生物质及其平台化合物为原料合成环氧树脂具有节约石油资源和保护环境的双重功效，但目前报道的生物基环氧树脂在玻璃化转变温度（Tg）及韧性方面未能同时满足结构材料的要求。因此，本项目拟以结构特殊、生物来源丰富的衣康酸和柔韧性好的有机硅为原料，合成系列高韧高Tg的生物基硅骨架环氧树脂，研究硅骨架结构对环氧树脂固化物热、力学及阻燃等性能的影响，探索生物基环氧树脂合成的新原料、新思路和新方法，为使其早日替代石油基环氧树脂奠定一定基础；并通过动态力学实验从分子运动角度系统研究硅骨架结构对环氧树脂韧性和Tg的影响，初步建立硅骨架结构-α、β松驰-环氧树脂性能的三维关系，为高性能硅骨架环氧树脂的分子设计提供一些理论依据。

石油危机和全球变暖日益显现，已引起各国政府的高度关注。以可再生的生物质资源为原料合成高分子材料，既可降低高分子行业对石油化工产品的依赖，又可减少石油化工生产过程中CO2的排放，是当前高分子材料的一个重要发展方向。环氧树脂是一种重要的高分子材料，占全球环氧树脂市场90%左右的双酚A环氧树脂，其原料双酚A来源于石化资源，并且双酚A的生理毒性大，最近几年已陆续被多个国家禁用于人体接触的领域。因此，以生物基原料代替双酚A合成环氧树脂，不管从能源、环境还是从双酚A的生理毒性方面考虑，都具有重大意义。本项目以生物来源丰富的衣康酸为原料合成了系列环氧树脂，包括高环氧值，含双键，含磷环氧树脂等，大部分性能与双酚A环氧树脂相当，并在某些性能上如粘度、阻燃性等要优于双酚A环氧树脂。同时为了解决环氧树脂韧性差的问题，将合成的二官能度衣康酸二缩水甘油酯与含硅氢键的不同结构有机硅进行硅氢加成反应，得到一系列硅骨架的衣康酸基环氧树脂。系统研究了硅氢加成反应，发现衣康酸可以极大地促进硅氢加成反应。系统研究了硅骨架的结构对环氧树脂性能的影响，有机硅的引入，极大地提高了衣康酸基环氧树脂的固化活性，固化物的热稳定性。通过本项目设计引入有机硅结构，可提高了环氧树脂的韧性，同时保持具有高的模量。但是不同的有机硅结构对于力学性能特别是模量和韧性的影响不同。对于增韧的机理及二级松驰与韧性的关系，有待于进一步研究。通过本项目的研究为拓宽衣康酸在高分子领域的应用提供一定的指导，同时也为环氧树脂的增韧改性提供了新的思路。发表高水平SCI论文5篇，申请专利5项，已授权2项，国际学术会议口头报告2次，培养研究生2名，博士后1名。