聚芳醚腈自增强复合材料的制备及性能研究

Polyarylene ether nitrile (PEN) exhibits excellent mechanical properties, electrical properties, resistance to chemicals, wear resistance, dimensional stability, non-toxic due to its special molecular structure that contains rigid groups and heat-resistant oxyether. In this project, a series of semi-crystalline and crosslinkable PEN will be synthesized by molecular design and the effect of different structure, molecular weight and molecular weight distribution on crystallization and crosslinking behavior was studied in detail. The crystal growth mechanism and the reaction mechanism of crosslinking reaction of PEN and the competition relationship between the crystallization and crosslinking behavior will be studied in-depth. Through studying the crystallization kinetics and crosslinking kinetics, the crystalline and crosslinking conditions were determined. Most importantly, it reveals the evolution law of crystallization and solid-phase crosslinking, and then clarifies the relationship between crystallization behavior, crosslinking behavior and the physical and chemical properties of PEN, providing a new technical route for the preparation of high-performance polymer materials. The PEN self-enhancement composite was prepared by hot-pressing method. In this composite, crystals can be fixed in the matrix resin by crosslinking reaction. The chemical crosslinking point and the crystals acted as the reinforcing phase of the composite. In addition, the shear field and tensile field were used to prepare high strength, high modulus as well as high temperature resistant PEN self-enhancement composites.

聚芳醚腈因其分子结构中含有刚性的芳香基团及耐热性的氧醚键而表现出优异的力学性能、电性能、耐化学腐蚀性能、耐磨性、尺寸稳定性、无毒等优点。本项目通过分子设计，合成一系列可交联半结晶性嵌段聚芳醚腈，详细研究不同链节、分子量及分子量分布对其性能的影响。深入研究聚芳醚腈的晶体生长机理，交联的反应机理以及结晶与交联的竞争关系，重点研究聚芳醚腈的结晶行为与交联行为共存的可控技术，确定结晶与交联条件。揭示结晶、固相交联的衍变规律，进而明晰聚芳醚腈结晶行为、交联行为和材料物理化学性质之间的关系，为制备高性能高分子材料提供新的技术路线。利用压力场制备聚芳醚腈自增强复合材料，在该复合材料中，晶体可通过交联反应被固定在基体树脂中，其化学交联点以及结晶区的物理交联点可以共同作为复合材料的增强相。此外，还利用剪切场、拉伸场等使晶体进行取向，从而制备高强度高模量耐高温聚芳醚腈自增强复合材料。

由于对环境友好型产品的需求不断增加，具有轻质和可回收特性的复合材料已经引起了相当大的研究兴趣。与传统的树脂基复合材料相比，自增强复合材料由于树脂与增强相来自于同一类聚合物，解决了传统复合材料回收困难的问题。此外，复合材料因组分间良好的界面相容性而具有优越的机械性能，因此，自增强复合材料成为了结构材料的研究热点之一。聚芳醚腈因其分子结构中含有刚性的芳香基团及耐热性的氧醚键而表现出优异的力学性能、电性能、耐化学腐蚀性能、耐磨性、尺寸稳定性、无毒等优点。本项目以聚芳醚腈为研究对象，开发新型的聚芳醚腈自增强复合材料。首先，通过分子设计，合成一系列可交联半结晶性聚芳醚腈，详细研究不同链节、分子量及分子量分布对其性能的影响。其次，研究聚芳醚腈的晶体生长机理，交联的反应机理以及结晶与交联的竞争关系，重点研究聚芳醚腈的结晶行为与交联行为共存的可控技术，确定结晶与交联条件。揭示结晶、固相交联的衍变规律，明晰聚芳醚腈结晶行为、交联行为和材料物理化学性质之间的关系。在该复合材料中，晶体可通过交联反应被固定在基体树脂中，其化学交联点以及结晶区的物理交联点可以共同作为复合材料的增强相。结果表明，自增强聚芳醚腈薄膜具有优异的综合性能，其Tg为390℃，在300℃下具有较长的使用寿命（4.05×102分钟，95wt%的残余重量），优越的机械性能（拉伸强度≥120 MPa，拉伸模量≥3.6GPa）。最后，利用拉伸场等制备聚芳醚腈自增强复合材料，研究拉伸倍率、拉伸温度等对材料的性能的影响。拉伸率为200%的单向热拉伸薄膜具有最好的综合性能，其韧性有所增强，其力学拉伸强度提高到原来的46.6%。该项目的实施，为设计制备高性能聚合物材料提供了新的技术路径。