含非平面环生物基环氧树脂的合成及形状记忆特性研究

Shape memory epoxy resin has been great potential to be used in many application areas especially in aerospace due to its high fixity, high recovery stress as well as good processability. However, bisphenol A shape memory epoxy resin, as the most investigated shape memory epoxy resin, showed disadvantages such as poor properties as well as unsustainability of bisphenol A. During our previous studies, we found that the non-planar cyclic structure containing polymers including epoxy resin showed excellent shape memory properties. While the mechanism of this phenomenon and the structure-property relationship is unknown. Thus, in this proposal, a series of bio-based epoxy resins with different non-planar cyclic structure will be synthesized to overcome the disadvantages of bisphenol A shape memory epoxy resin, from isosorbide, furfuralcohol derevatives, rosin which are all abundant and renewable resources. And after investigating and comparing the shape memory properties of these bio-based epoxy resins and planar cyclic structure containing epoxy resins for comparison, the relationship between non-planar cyclic structures and shape memory properties will be provided. Furthermore, the mechanism of the excellent shape memory properties of non-planar cyclic structure containing epoxy resin will be studied to provide a scientific basis for the design of high-performance or non-planar cyclic structure containing shape memory polymers.

形状记忆环氧树脂具有形变固定率高、回复力大以及易复合、加工等优点，在航空航天等领域具有广阔的应用前景。然而目前主要研究的双酚A型形状记忆环氧存在性能不佳、原料不可持续性等问题。申请人团队前期研究发现含非平面环材料（包括环氧树脂）表现出优异形状记忆特性，然而对于它的原理和构效关系尚不清楚。因此，本项目拟选择生物来源丰富的含非平面环结构的异山梨醇、糠醇衍生物、松香等为原料设计合成系列不同环结构的生物基环氧树脂，以期得到高性能的形状记忆环氧树脂；同时通过对比研究它们及含平面环对比环氧的形状记忆特性，初步建立含非平面环结构与形状记忆效应之间的构效关系。在此基础上，从非平面环的空间体积作用、弹性、分子运动等多角度去探索研究、归纳总结、初步阐明非平面环结构赋予环氧树脂优异形状记忆效应的原理。为设计合成含非平面环结构或高性能的形状记忆材料提供一定理论基础。

形状记忆环氧树脂具有形变固定率高、回复力大以及易复合、加工等优点，在航空航天等领域具有广阔的应用前景。然而目前主要研究的双酚 A 型形状记忆环氧存在性能不佳、原料不可持续性等问题。本项目通过引入非平面环结构以及可持续的生物基资源，以提升环氧树脂形状记忆性能和解决原料的不可持续性问题。本项目选择生物来源丰富的含非平面环结构的异山梨醇、松香等为原料设计合成系列不同环结构的生物基环氧树脂，得到了性能优异的形状记忆环氧树脂，并研究了结构与性能的关系。通过研究氢化双酚A环氧树脂及设计其他非平面环环氧树脂及其平面环类似物，并结合计算模拟、分子运动分析检测等系统研究了非平面环结构与形状记忆效应及其他性能的关系，并初步揭示了非平面环结构赋予环氧树脂优异形状记忆效应的原理，主要是非平面环特别是环己环、异山梨醇环等可发生构象转变，能够加速分子链段的运动，从而可以提升热固性材料的形状记忆回复速度。同时本项目将非平面环结构用于易回收热固性树脂的设计合成中，如将缩醛设计成螺旋双环缩醛从而赋予材料优异的热学、力学性能和降解性能。将非平面环己环结构引入到可重塑热固性树脂中，得到了重塑快同时热学、力学性能优异的材料。此项目为设计合成含非平面环结构的高性能热固性材料特别是形状记忆材料提供了一定的理论基础。同时本项目以香草醛、丁香酚、衣康酸、呋喃二甲酸等合成了一系列其他生物基热固性树脂，丰富了热固性树脂结构与性能关系理论。