2023年全國碩士研究生考試考研英語一試題真題(含答案詳解+作文范文)_第1頁
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文檔簡介

1、<p><b>  本科畢業(yè)設(shè)計</b></p><p><b> ?。?0 屆)</b></p><p>  POSS改性環(huán)氧樹脂制備與性能研究</p><p>  所在學(xué)院 </p><p>  專業(yè)班級 化學(xué)工程與

2、工藝 </p><p>  學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>  指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>  完成日期 年 月 </p><p>  摘要: POSS具有三維籠狀立體結(jié)構(gòu)的有機—無機納米雜化

3、材料,可以有效提高環(huán)氧樹脂的使用溫度、抗氧化性能等。本文采用氯甲基POSS(CM-POSS)對E-51樹脂/甲基四氫苯酐(簡記為E-51/MeTHPA/TEA)體系進行改性研究。化學(xué)流變學(xué)研究表明:E-51環(huán)氧樹脂經(jīng)CM-POSS改性后室溫粘度顯著增加,而CM-POSS的引入只對E-51/MeTHPA/TEA體系的初始粘度有影響,對低溫反應(yīng)初始階段的粘度變化影響并不明顯。在反應(yīng)的初始階段,粘度不高于1500mPa·s時,E-5

4、1/MeTHPA/TEA/CM-POSS體系的化學(xué)粘度變化符合雙Arrhenius經(jīng)驗公式。</p><p>  關(guān)鍵詞:環(huán)氧樹脂;POSS;有機-無機雜化納米復(fù)合材料;流變性能。</p><p>  Abstract: POSS is a organic-inorganic hybrid nanocomposites , can improve the thermal propertie

5、s and oxidation resistance of epoxy systems. In this paper, the triglycidyl p-aminophenol epoxy resin (E-51) was first modified by chloromethyl oligomeric silsesquioxanes (CM-POSS) and then cured by a kinds of curing age

6、nts, 4-methyl-tetrahydrophthalic anhydride (MeTHPA) arespectively. The chemo-rheology investigation indicates that the viscosity of E-51 resin was greatly increased after modified with </p><p>  Key words: E

7、poxy Resin; POSS; Organic-inorganic Hybrid Nanocomposites; Rheological Properties</p><p><b>  . </b></p><p><b>  目 錄</b></p><p><b>  摘要I</b><

8、;/p><p>  AbstractII</p><p><b>  1 緒論I</b></p><p><b>  1.1 前言I</b></p><p>  1.2 環(huán)氧樹脂改性進展2</p><p>  1.2.1 聚合物改性環(huán)氧樹脂2</p>

9、<p>  1.2.2 無機納米離子改性環(huán)氧樹脂2</p><p>  1.2.3 聚硅氧烷共聚改性環(huán)氧樹脂2</p><p>  1.3 POSS改性環(huán)氧樹脂研究進展3</p><p>  1.3.1 POSS簡介3</p><p>  1.3.2 POSS改性環(huán)氧樹脂歷史進展4</p>&l

10、t;p>  1.3.3 POSS改性環(huán)氧樹脂機理5</p><p>  1.3.4 POSS改性環(huán)氧樹脂研究現(xiàn)狀5</p><p>  1.3.5 POSS改性環(huán)氧樹存在的問題6</p><p>  1.4 POSS納米結(jié)構(gòu)化合物及聚合物應(yīng)用領(lǐng)域7</p><p>  1.5 本課題研究的意義和目標(biāo)7</p&g

11、t;<p><b>  2 實驗部分9</b></p><p>  2.1 儀器、試劑9</p><p>  2.2 實驗步驟9</p><p>  2.3.1 CM-POSS改性環(huán)氧樹脂流變特性研究9</p><p>  2.3.2 CM-POSS的加入量對E-51/MeTHPA/TEA

12、體系粘度影響9</p><p>  2.3.3 E-51/MeTHPA/CM-POSS/TEA體系化學(xué)流變學(xué)研究10</p><p>  3 結(jié)果與討論11</p><p>  3.1 E-51環(huán)氧樹脂固化劑用量的確定11</p><p>  3.1.1 固化劑理論用量的確定11</p><p>  

13、3.1.2 實際固化劑用量的確定11</p><p>  3.2 促進劑用量的確定11</p><p>  3.3 CM-POSS的加入對E-51環(huán)氧樹脂室溫粘度的影響12</p><p>  3.4 CM-POSS的加入對E-51/MeTHPA/TEA體系室溫粘度的影響12</p><p>  3.5 E-51/MeTHP

14、A/CM-POSS/TEA體系化學(xué)流變研究13</p><p>  3.5.1 動態(tài)粘度特性13</p><p>  3.5.2 等溫粘度特性14</p><p>  3.6 化學(xué)流變模型的建立15</p><p>  3.6.1 Roller 半經(jīng)驗?zāi)P?5</p><p>  3.6.2 E-5

15、1/MeTHPA/CM-POSS/TEA體系等溫化學(xué)流變模型參數(shù)的計算16</p><p><b>  4 結(jié)論19</b></p><p>  4.1 全文總結(jié)19</p><p>  4.2 不足及展望19</p><p><b>  參考文獻20</b></p>

16、<p><b>  致 謝24</b></p><p><b>  1 緒 論</b></p><p><b>  1.1 前 言</b></p><p>  環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的黏接性、耐磨性、電絕緣性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐高低溫性,以及收縮率低、易加工成型和成本低廉等優(yōu)點,被大量應(yīng)用于膠黏

17、劑、電子儀表、輕工、機械、航天航空、絕緣材料等領(lǐng)域[1]。但純環(huán)氧樹脂固化后呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),交聯(lián)密高,存在內(nèi)應(yīng)力大、質(zhì)地硬脆,耐開裂性、抗沖擊性、耐濕熱性差及剝離強度低等缺點,在很大程度上限制了其在某些高技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。環(huán)氧樹脂的增韌方法很多,目前國內(nèi)外的研究主要集中于如何獲得具有更高性能的環(huán)氧樹脂材料,以滿足特殊場合的要求,使其得到更廣泛的應(yīng)用。</p><p>  通常的改性方法有化學(xué)方法和物理方法。通過改性

18、大大提高了聚合物的綜合性能。以聚丙烯(PP)為例[2],其相對密度小、加工性優(yōu)良、屈服強度、拉伸強度和彈性模量均較高、電絕緣性良好、耐應(yīng)力龜裂及耐化學(xué)藥品性較佳等,制品無毒無味。光澤性好,被廣泛用于汽車、電器及家具、包裝等各個領(lǐng)域。但PP成型收縮率大、脆性高、缺口沖擊強度低等弱點大大限制了其進一步推廣應(yīng)用。為此,國內(nèi)外對PP的增強增韌改性進行了廣泛而深入的研究[3]。盡管增強增韌改性有效地改善了PP的脆性,但總的來說,PP的綜合性能并沒

19、有質(zhì)的提高。對于其他聚合物來說情況也大體如此。為此,探索新的改性方法成為目前新一代聚合物材料的研究熱點[4]。</p><p>  納米粒子能增韌增強EP和提高耐磨性、耐熱性。但是納米粒子容易發(fā)生團聚,成為影響復(fù)合材料性能的關(guān)鍵。因此,如何解決納米粒子的團聚問題。納米粒子的粒徑大小、幾何形狀等形態(tài)參數(shù)和添加量對納米復(fù)合材料性能的影響程度,以及納米復(fù)合材料的相界面結(jié)構(gòu)和增韌增強機理都是亟待解決和完善的研究熱點。&l

20、t;/p><p>  環(huán)氧樹脂優(yōu)異的粘結(jié)性、物理機械性能、電氣絕緣性能及固化收縮率低等性能而被廣泛應(yīng)用于機械、電子電氣、半導(dǎo)體封裝等領(lǐng)域[5]。近年來隨著電子產(chǎn)品向著小型化、多功能化方向的發(fā)展,對為其配套的環(huán)氧樹脂材料的耐熱性及阻燃性能提出了更高的要求[6],籠型倍半硅氧烷(POSS)改性環(huán)氧樹脂的研究得到廣泛關(guān)注。</p><p>  1.2 環(huán)氧樹脂改性進展</p><

21、p>  環(huán)氧樹脂是泛指分子中含有兩個或兩個以上環(huán)氧基團的有機高分子化合物。除個別外,它們的相對分子質(zhì)量都不高。環(huán)氧樹脂的分子結(jié)構(gòu)中含有活潑的環(huán)氧基,環(huán)氧基團可以位于分子鏈的末端、中間或成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。因而它們可與多種類型的固化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而形成不溶、不熔的具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高聚物[7],典型的環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)如下:</p><p><b>  雙酚A二縮水甘油醚</b></p>

22、<p>  根據(jù)分子結(jié)構(gòu),環(huán)氧樹脂大致可分為五類:(1)縮水甘油醚類環(huán)氧樹脂。(2)縮水甘油酯類環(huán)氧樹脂。(3)縮水甘油胺類環(huán)氧樹脂。(4)線型脂肪族類環(huán)氧樹脂。(5)脂環(huán)族類環(huán)氧樹脂。</p><p>  目前,提高環(huán)氧樹脂的性能方法有以下幾種方法:</p><p>  1.2.1聚合物改性環(huán)氧樹脂</p><p>  從20世紀60年代后期就開始了用

23、聚合物改性環(huán)氧樹脂的研究工作,應(yīng)用的聚合物可分為樹脂(包括液晶聚合物)和橡膠彈性體。用橡膠改性體系呈現(xiàn)非均一性,也稱增韌改性;用樹脂改性也稱為合金化改性。液晶聚合物比其它聚合物具有更高的物理力學(xué)性能和耐熱,它在加工過程中受到剪切作用,形成纖維結(jié)構(gòu),具有高度自增強作用。用熱致液晶聚合物改性環(huán)氧樹脂。固化后體系為兩相結(jié)構(gòu),液晶聚合物以原纖的形式存在于體系中,可阻止裂縫,提高基體韌性,而材料的耐熱性和剛度不降低或有所提高。</p>

24、<p>  1.2.2無機納米粒子改性環(huán)氧樹脂</p><p>  用有機化臺物改性的無機填料與環(huán)氧樹脂有良好的界面性能,可提高填料的改性效果。為提高填料對環(huán)氧樹脂的改性效果。為提高填料對環(huán)氧樹脂的改性,常用的偶聯(lián)劑有硅烷系和鈦系偶聯(lián)刺。碳纖維是常用表面氧化的方法處理。</p><p>  無機納米粒子改性環(huán)氧樹枝是指無機填料以納米尺寸分散在EP基體中,形成有機,無機納米復(fù)合

25、材料。無機納米粒子用于樹脂基復(fù)合材料可以提高樹脂的強度、韌性、耐熱性和耐磨性。改善材料表面光潔度[8]。納米粒子改性EP的方法有:原位分散聚合法、溶液混合法、直接共混法、溶膠-凝膠法和輻照接枝法等。</p><p>  1.2.3聚硅氧烷共聚改性環(huán)氧樹脂</p><p>  聚硅氧烷集無機物的特性與有機物的功能于一身,具有熱穩(wěn)定性好、耐氧化、耐候和低溫特性好、較大的壓縮率、表面能低和介電強

26、度高等優(yōu)點。聚硅氧烷改性環(huán)氧樹脂既能降低環(huán)氧樹脂內(nèi)應(yīng)力、又能增加環(huán)氧樹脂的韌性、耐熱性能等。用聚硅氧烷改性環(huán)氧樹脂,解決聚硅氧烷與環(huán)氧樹脂的相容性是改性的關(guān)鍵。利用聚硅氧烷上的活性端基(如羥基、氨基、烷氧基等)與環(huán)氧樹脂中的環(huán)氧基、羥基進行反應(yīng),生成嵌段高聚物,從而可改善其相容性問題,并在固化的結(jié)構(gòu)中引入穩(wěn)定和柔性的Si-O鏈,提高環(huán)氧樹脂的斷裂韌性和使用溫度。目前用來對環(huán)氧樹脂進行改性的聚硅氧烷主要有鏈狀、梯形、環(huán)形及籠型四種結(jié)構(gòu)[9

27、]。其中,多面體低聚硅倍半氧(Polyhedral Oligomcric Silsesquioxanes,POSS)作為一種全新的有機-無機雜化納米籠型結(jié)構(gòu)聚硅氧烷是研究的主要熱點之一。</p><p>  1.3 POSS改性環(huán)氧樹脂研究進展</p><p>  在之前的傳統(tǒng)的改性方法中無論是聚合物改性還是納米改性有缺陷。傳統(tǒng)的聚合物具有良好的加工工藝性和相對低的成本,但由于其自身固有的

28、低模量、低穩(wěn)定性,使其應(yīng)用受到了一定程度的限制。納米粒子能增韌增強EP和提高耐磨性、耐熱性,但是納米粒子容易發(fā)生團聚,成為影響復(fù)合材料性能。因此,如何解決納米粒子的團聚問題。納米粒子的粒徑大小、幾何形狀等形態(tài)參數(shù)和添加量對納米復(fù)合材料性能的影響程度,以及納米復(fù)合材料的相界面結(jié)構(gòu)和增韌增強機理都是亟待解決和完善的研究熱點。有機無機材料POSS正能解決次問題,由于POSS具有特殊的納米級籠形結(jié)構(gòu)及與聚合物良好的結(jié)合性和相容性,采用POSS改

29、性傳統(tǒng)聚合物所制備的有機-無機納米雜化材料不僅具有有機材料優(yōu)良的加工性、韌性與低成本,同時還保留無機材料優(yōu)異的耐熱、耐氧化與力學(xué)性能。因此,POSS改性傳統(tǒng)聚合物能使其性能產(chǎn)生質(zhì)的飛躍,必將對航空航天領(lǐng)域和塑料工業(yè)及其相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。</p><p>  1.3.1 POSS簡介</p><p>  倍半硅氧烷(Silsequioxane)是一類結(jié)構(gòu)簡式為(RSiO1.5)n (n≥

30、4)的化合物[10],分子中R基團可以是氫原子、烷基、亞烴基、芳基、亞芳基或者是這些基團的取代基,主要有無規(guī)、梯形、橋形、籠形等不同的結(jié)構(gòu)類型,其中POSS是最先發(fā)展和應(yīng)用最多的一種。POSS單體是一類以Si-O為骨架聯(lián)接成的環(huán)狀納米級籠狀分子(如圖所示)POSS結(jié)構(gòu)主要具有如下兩個特點:(1)包含有由Si和O組成的無機支架結(jié)構(gòu),三維結(jié)構(gòu)大小在1-3 nm范圍內(nèi),賦予雜化材料良好的耐熱及力學(xué)性能;(2)外部連接烷烴取代基或活性反應(yīng)基團,

31、有機基團能夠改善POSS與聚合物之間的相容性,反應(yīng)性基團可以實現(xiàn)POSS與聚合物之間的化學(xué)鍵合作用[11]。</p><p>  圖1-1 POSS結(jié)構(gòu)</p><p>  POSS獨特的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的碳氫化合物和無機物相比,在性能上有了顯著的改善,其優(yōu)點概括如下:便于分子“裁剪”與組裝;材料均一透明、耐熱阻燃、硬度高、耐刮擦;與有機溶劑有良好的相溶性;不產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì);結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,不易收縮

32、和變形;表面疏水,且黏度?。痪哂辛己玫臒崃W(xué)穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性;不釋放揮發(fā)性有機成分,是無味和無污染的材料。因此POSS具有廣闊的應(yīng)用與開發(fā)前景。</p><p>  POSS的制備一般采用溶膠-凝膠法,即在堿性/酸性催化劑存在下通過水解三氯硅烷或三烷氧基硅烷進行合成[12,13]。制備原理方程如下:</p><p><b>  (1-1)</b></p>

33、<p>  由于三官能硅烷化合物在酸或堿的催化下很容易發(fā)生水解縮合,反應(yīng)過程相當(dāng)復(fù)雜,不同反應(yīng)條件可能得到性質(zhì)截然不同的產(chǎn)物。影響反應(yīng)的因素很多,如溶劑的性質(zhì)、單體的濃度、單體的取代基和官能基的性質(zhì)、催化劑種類、反應(yīng)溫度、水的用量以及產(chǎn)物的溶解性等。</p><p>  1.3.2 POSS改性環(huán)氧樹脂歷史進展</p><p>  1946年Scott[14]首次合成分離得到

34、齊聚倍半硅氧烷(POSS)以來,倍半硅氧烷化學(xué)的發(fā)展已經(jīng)歷了半個多世紀。近年來POSS作為改性劑或者是共聚單體用于改性高分子材料、制備納米復(fù)合材料引起了人們的廣泛關(guān)注。ZHANG Zeng-ping等[15]研究了POSS結(jié)構(gòu)對環(huán)氧樹脂熱性能的影響。Libor Matjka[16]研究了用POSS改性環(huán)氧樹脂后的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。NI Yong等[17]從納米結(jié)構(gòu)層面研究了熱固性樹脂/兩親性有機無機復(fù)合體系。Ivan Jerman[18]研究

35、了功能性POSS涂層的結(jié)構(gòu)和防腐蝕性,發(fā)現(xiàn)POSS用在涂料中可以大大改善涂料的性能;用POSS改性的環(huán)氧樹脂耐熱性好。介電性好,且無鹵阻燃,降低環(huán)氧樹脂的交聯(lián)密度,提高其韌性。改性原理認為是由于POSS分子鏈的尺寸與微觀裂紋的大小相當(dāng),因此對微觀裂紋有愈合作用,當(dāng)一個裂紋對某些硬的或粗糙的與其尺寸相當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)敏感時,這個裂紋就有終止的傾向,從而改善了環(huán)氧樹脂的韌性。</p><p>  1.3.3 POSS改性環(huán)氧

36、樹脂的機理</p><p>  Andre Lee[19,20]等人研究了單官能團POSS單體改性環(huán)氧樹脂的粘彈性能,結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加POSS后,固化體系的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度并沒有明顯的提高,僅觀察到POSS改性體系的玻璃化轉(zhuǎn)交區(qū)域的溫度范圍變寬,而且在老化實驗中到達結(jié)構(gòu)平衡的時間延長。Andre Lee分析認為POSS的加入實際上降低了交聯(lián)密度,同時單官能團的POSS單體僅作為線性高分子鏈的端基,在交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的影響較小

37、,因而對整個交聯(lián)體系的性能并沒有很大的影響。</p><p>  在多官能團POSS單體改性中也遇到了同樣的問題[21]。高溫后固化前后改性體系的性能的變化。證明多官能團POSS的加入降低了固化物的交聯(lián)密度。改性體系的Tg相對純環(huán)氧體系要低.而且隨POSS加入量的增大。這種趨勢更為明顯。但玻璃化轉(zhuǎn)變的溫度范圍在加入POSS后明顯的變寬,而且在Tg之后,改性固化體系的力學(xué)性能優(yōu)于純環(huán)氧體系。</p>

38、<p><b>  分析認為:</b></p><p> ?。?)環(huán)氧和烯烴取代基增強了POSS單體的溶解性:</p><p> ?。?)POSS以化學(xué)鍵連入高分子鏈段;</p><p> ?。?)只要初始階段POSS分散較好,就不會出現(xiàn)富集的現(xiàn)象。但由于反應(yīng)活性較低,大部分環(huán)氧官能團未能參加反應(yīng)。同單官能團POSS單體一樣,POSS

39、在分子鏈中起封端作用,降低了交聯(lián)密度,對改性聚合物性能的影響較小。</p><p>  1.3.4 POSS改性環(huán)氧樹脂研究現(xiàn)狀</p><p>  Jones I K等[22]研究了POSS改性環(huán)氧樹脂的熱性能及物理機械性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn):當(dāng)POSS的加入量為5%時,儲能模量提高13%,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度升高16℃,熱失重分析顯示環(huán)氧樹脂的熱性能隨著POSS加入量增加而提高。通過對一系列力學(xué)性能

40、數(shù)據(jù)的分析,作者通過模型來描述機械性能與POSS加入量的關(guān)系。</p><p>  Li G Z 等[23]通過溶液共混的方法分別將含環(huán)氧基的POSS及梯形聚苯基倍半硅氧烷(PPSQ)的預(yù)聚物與環(huán)氧樹脂共混得到了POSS/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料和PPSQ/多F氧樹脂復(fù)合材料。得到倍半硅氧烷改性環(huán)氧樹脂能夠在保持環(huán)氧樹脂熱性能的同時使環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能得以提高。</p><p>  近年來,無鹵阻

41、燃材料的研究主要集中在含磷有機物及有機硅等新型環(huán)保阻燃劑方面。Yu Dan 等[24,25]成功得用γ-環(huán)氧丙氧基三甲氧基硅烷進行水解縮合反應(yīng)制備了含有環(huán)氧基的無規(guī)結(jié)構(gòu)的低聚倍半硅氧烷,然后利用這種低聚倍硅氧烷與9,l0-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(DPPO)反應(yīng)得到含磷的低聚倍硅氧烷。用這種含磷倍半硅氧烷改性后的環(huán)氧樹脂的熱分解溫度和沖擊強度與純環(huán)氧樹脂相比都有較大幅度的提高。</p><p>

42、  微相分離通??梢蕴岣攮h(huán)氧樹脂的熱性能和機械性能。Liu Hong-zhi等[26]將30%含量的未完全縮合的倍半硅氧烷引入到環(huán)氧樹脂中形成POSS/環(huán)氧樹脂納米復(fù)合材料,該材料中球狀的倍半硅氧烷的大小大約在300~500 nm左右。DMA分析結(jié)果顯示,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和玻璃態(tài)儲能模量均較純環(huán)氧樹脂高,同時TGA分析結(jié)果表明,POSS/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的起始熱分解溫度較純環(huán)氧樹脂高。</p><p>  Fu J

43、等[27]合成了一種新型的含有巰丙基的多面體倍半硅氧烷(MPOSS),然后通過與環(huán)氧樹脂共聚合來改性氨基一環(huán)氧網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。用這種MPOSS改性的環(huán)氧樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度比純的環(huán)氧樹脂有很大提高,所合成的MPOSS能夠?qū)Νh(huán)氧樹脂起到增強作用。</p><p>  楊莉榮等[28]通過三烷氧基硅烷水解縮合反應(yīng)成功制備了甲基倍半硅氧烷和乙基倍半硅氧烷的單體,然后通過與環(huán)氧樹脂共混制備了倍半硅氧烷改性的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。與

44、納米二氧化硅改性的環(huán)氧樹脂及純環(huán)氧樹脂相比,該倍半硅氧烷改性的環(huán)氧樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熱分解溫度均有所提高,阻燃性能較純環(huán)氧樹脂有所提高,但是不如二氧化硅直接共混的好。</p><p>  劉海林[29]通過差示掃描量熱法、凝膠特性曲線及紅外光譜分析方法研究了含有環(huán)氧基的倍半硅氧烷改性環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)動力學(xué)。得出活化能和熱分解殘余量。</p><p>  1.3.5 POSS改性環(huán)氧樹

45、脂存在的問題</p><p>  從已有的POSS單體改性環(huán)氧樹脂的研究來看,主要存在下列幾個問題:</p><p> ?。?)POSS的合成與提純困難</p><p>  眾多的POSS合成路線中,硅氧烷的可控水解是最基本反應(yīng)。但硅氧烷的水解反應(yīng)極為復(fù)雜,水解產(chǎn)物眾多[9],這是導(dǎo)致POSS合成產(chǎn)率較低的一個重要原因。另一方面,從水解粗產(chǎn)物中提純出有實用價值的PO

46、SS比較困難,往往需要多步分級提純。因此POSS納米結(jié)構(gòu)化合物價格昂貴,影響其迸一步應(yīng)用。</p><p>  (2)POSS與環(huán)氧樹脂的相容性問題</p><p>  POSS與環(huán)氧樹脂相容性直接影響其對環(huán)氧樹脂的改性結(jié)果。相容性良好的POSS/環(huán)氧體系在聚合過程中POSS能均勻地以分子形式分散于或嵌入環(huán)氧網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中,形成均相體系,使環(huán)氧體系性能得到較大改善;而相容性較差的POSS/環(huán)氧體

47、系在聚合過程中會發(fā)生相分離,局部形成POSS富集區(qū)域,造成材料缺陷,甚至導(dǎo)致改性失敗。一般認為POSS籠型結(jié)構(gòu)外圍有機基團類型與活性大小是影響其與環(huán)氧樹脂的相容性的主要因素。但目前對POSS與環(huán)氧樹脂相容性缺乏有效的辨別與量化手段,即使POSS分子結(jié)構(gòu)外圍均為與環(huán)氧基反應(yīng)活性較大的有機基團也存在不同程度的相分離現(xiàn)象。</p><p> ?。?)POSS單體對環(huán)氧樹脂改性效果問題</p><p&

48、gt;  與其它聚合物相比,POSS單體對環(huán)氧樹脂的改性效果并不顯著。Jun chao Huang等[30]采用八苯胺基POSS對聚酰亞胺進行改性研究表明:與原體系相比,改性聚酰亞胺體系玻璃化轉(zhuǎn)變溫度提高了119.6℃,提高幅度為40%。而從目前POSS改性環(huán)氧樹脂的研究結(jié)果看,POSS單體的加入使環(huán)氧體系玻璃化轉(zhuǎn)變溫度提高幅度不超過20%,有些研究甚至得到與預(yù)期相反的結(jié)果。一般認為導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是在反應(yīng)中連入POSS的鏈段很難形成

49、交聯(lián)結(jié)構(gòu),降低了整個環(huán)氧體系的交聯(lián)密度,從而對交聯(lián)固化造成了負面影響。</p><p> ?。?)對POSS改性增強環(huán)氧樹脂的機理缺乏相應(yīng)的模型和理論支撐</p><p>  1.4 POSS納米結(jié)構(gòu)化合物及聚合物應(yīng)用領(lǐng)域</p><p>  POSS納米結(jié)構(gòu)化合物及其聚合物以其優(yōu)異的性能引起了人們廣泛的關(guān)注,被應(yīng)用到航空航天、日用品化工、生物工程、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、交通

50、及建筑等各個領(lǐng)域。</p><p>  高分子材料作為航空航天材料的最大問題是熱穩(wěn)定性差。近年來研究發(fā)現(xiàn),聚合物基體中加入具有納米結(jié)構(gòu)Si-O框架的POSS,由于其大的體積效應(yīng),能很好地控制基體材料的鏈段運動,從而大大提高材料的使用溫度和分解溫度,提高機械性能和抗氧化性能[31,32]。</p><p>  POSS上所帶的有機基團不同,直接影響著涂層與基體的粘附力及涂層的最終性能,如導(dǎo)電

51、性、透光性等。與其它薄膜涂層相比,POSS雜化材料涂層具有相對低的質(zhì)量,非常有利于空間材料減重[9]。</p><p>  在介電夾層領(lǐng)域也能應(yīng)用到POSS?;\形倍半硅氧烷被認為是最具有應(yīng)用前景的介電材料,在熱固化后,其籠形結(jié)構(gòu)會部分轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在熱固化過程中,具有不同的Si-O-Si籠形/網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)含量比,材料的介電常數(shù)隨著Si-O-Si網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的增多而下降[32]。</p><p>

52、  在生物工程上,根據(jù)DNA分子上核酸濃度不同,陽離子POSS在特定的波長可以成比例增強共振光濺射(Resonance Light Scattering,RLS)信號,因此可以用作新型DNA生物探針。這種生物探針具有靈敏、方便、快捷、可重復(fù)使用等特點[33]。</p><p>  1.5 本課題研究的意義和目標(biāo)</p><p>  在一些復(fù)雜的環(huán)境場合(如航空航天環(huán)境)下,要求器件具有較輕

53、質(zhì)量的同時還應(yīng)具有較高的耐熱性能。耐熱環(huán)氧樹脂是在此類條件下應(yīng)用較為廣泛的一類高性能復(fù)合材料基體,但現(xiàn)有耐熱環(huán)氧樹脂還不能有效滿足應(yīng)用需求。POSS的引入,可以顯著地提高環(huán)氧樹脂體系的耐熱性能及熱。力學(xué)性能(提高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、高溫下的儲能模量,降低熱膨脹系數(shù))和阻燃性能、耐原子氧能力,降低吸水率,改善纖維增強復(fù)合材料的界面性能等。使用POSS改性環(huán)氧樹脂可以獲得性能優(yōu)良的耐熱高性能復(fù)合材料基體以應(yīng)用于某些復(fù)雜環(huán)境。</p>

54、<p>  從目前國內(nèi)外關(guān)于POSS的研究內(nèi)容看,大量的工作主要集中在POSS的合成及其對改性(應(yīng)用)聚合物性能的改善方面,而幾乎沒有涉及POSS改性聚合物的改性工藝、機理及改性聚合物的成型工藝性能。研究POSS改性聚合物的改性工藝與機理有利于深入了解POSS在聚合物中的行為、形態(tài)并以之指導(dǎo)改性,獲得更佳的改性效果。另一方面,深入研究改性聚合物的流變行為對指導(dǎo)聚合,以制得加工性能優(yōu)良的聚合物和評定其加工性能、分析其加工過程

55、、正確選擇加工工藝條件、指導(dǎo)配方設(shè)計均有重要意義,此外對設(shè)計加工機械和模具也有指導(dǎo)作用。</p><p><b>  2 實驗部分</b></p><p>  2.1 儀器、試劑</p><p>  實驗所用主要儀器的型號及制造商見表2-1,主要試劑的純度及制造商見表2-2。</p><p>  表2-1 儀器的型

56、號及制造商</p><p>  表2-2 試劑的純度及制造商</p><p><b>  2.2實驗步驟</b></p><p>  2.2.1 CM-POSS改性環(huán)氧樹脂流變特性研究</p><p>  配置不同質(zhì)量分數(shù)的CM-POSS的E-51/CM-POSS體系然后用旋轉(zhuǎn)粘度計測量其粘度。</p>

57、<p>  2.2.2 CM-POSS的加入量對E-51/MeTHPA/TEA體系粘度影響</p><p>  配置不同質(zhì)量分數(shù)的CM-POOS的E-51/MeTHPA/CM-POSS/TEA體系再用旋轉(zhuǎn)粘度計測其粘度并繪制圖表。</p><p>  2.2.3 E-51/MeTHPA/CM-POSS/TEA體系化學(xué)流變學(xué)研究</p><p><b&

58、gt; ?。?)動態(tài)粘度特性</b></p><p>  配制CM-POSS質(zhì)量分數(shù)5%的E-51/MeTHPA/CM-POSS/TEA體系,并分別測量該體系在不同溫度下的粘度,并繪制圖表。</p><p><b> ?。?)等溫粘度特性</b></p><p>  分別測CM-POSS質(zhì)量分數(shù)為5%的E-51/MeTHPA/CM-

59、POSS/TEA體系在不同下溫時在時間為1.5、3、4.5、6、7.5、9、10.5小時的粘度,并繪制圖表。</p><p><b>  3 結(jié)果與討論</b></p><p>  3.1 E-51環(huán)氧樹脂固化劑用量的確定</p><p>  一般情況下,E-51環(huán)氧樹脂在常溫下和一般加熱條件下不會固化,,因而也不具備良好的機械強度、電氣絕緣

60、、耐化學(xué)腐蝕等性能。因此,必須加入固化劑,組成配方樹脂,并在一定條件下進行固化,生成立體交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),才會顯示出各種優(yōu)良的性能,成為具有真正使用價值的工程材料。固化劑在環(huán)氧樹脂的應(yīng)用上具有不可缺少的、甚至在某種程度上起著決定性的作用心[34,35]。下面主要討論固化劑用量對環(huán)氧樹脂固化物熱性能的影響。</p><p>  3.1.1固化劑理論用量的確定</p><p>  固化劑加入量與環(huán)

61、氧樹脂固化物性能有著十分密切的關(guān)系。多元胺類固化劑和酸酐類固化劑在應(yīng)用中存在最佳用量,即固化劑用量過多或過少都會導(dǎo)致固化物的性能比使用最佳用量時要差。多元胺類固化劑和酸酐類固化劑理論用量計算公式分別為式(3-1)和式(3-2)[36]。</p><p><b>  (3-1)</b></p><p><b>  (3-2)</b></p&g

62、t;<p>  式中,W一100g環(huán)氧樹脂所用固化劑的質(zhì)量(簡寫為phr),g;</p><p>  M一化劑的相對分子質(zhì)量;</p><p>  n一胺的活潑氫原子數(shù)或一個酸酐分子上酸酐單元數(shù);</p><p><b>  a一胺的純度;</b></p><p>  K一經(jīng)驗系數(shù)(0.7~1之間);<

63、;/p><p>  E一氧樹脂的環(huán)氧值,mol/100g。E-51樹脂的E=0.51 mol/100g .</p><p>  3.1.2 實際固化劑用量的確定</p><p>  由于在固化過程中環(huán)氧基可能發(fā)生自聚合反應(yīng)、環(huán)氧樹脂中存在一些反應(yīng)性雜質(zhì)及促進劑改變反應(yīng)歷程從而改變產(chǎn)物結(jié)構(gòu)等因素的影響,使得固化劑實際用量與理論值有偏差。在爐溫的計算上,本文通過調(diào)整固化劑甲

64、基四氫苯酐的用量得到結(jié)果。當(dāng)環(huán)氧基與酸酐單元物質(zhì)的量之比為100:100,即質(zhì)量比為100:80 的時候固化效果最好,熱變形溫度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度最高。 </p><p>  3.2促進劑用量的確定</p><p>  促進劑的加入可以降低反應(yīng)體系的活化能,從而降低固化溫度,縮短固化周期,提高固化物的交聯(lián)密度,但加入過量的促進劑反而會使固化物殘留較多的小分子,降低固化物的交聯(lián)密度,從而降低固

65、化物的性能。實驗在確保其他條件相同時,向E-51/MeTHPA體系中加入不同量的促進劑三乙胺,考察了不同促進劑體系熱性能和固化度的影響。得出當(dāng)促進劑三乙胺用量為0.5%時候效果最佳。</p><p>  3.3 CM-POSS的加入對E-51環(huán)氧樹脂室溫粘度的影響</p><p>  準(zhǔn)確稱取5組30g環(huán)氧樹脂于5個燒杯中,然后分析天平準(zhǔn)確稱取CM-POSS量為0g,0.303g、0.92

66、8g、1.579g、3.159g,然后依次分別加入燒杯中配置成CM-POSS質(zhì)量分數(shù)為0、1%、3%、5%、10%的CM-POSS/環(huán)氧樹脂體系,通過攪拌和超聲波使CM-POSS均勻分散于環(huán)氧樹脂中,然后用旋轉(zhuǎn)粘度計分別測量其粘度,比較粘度變化并繪制圖表,見圖3-1。</p><p>  圖3-1 不同CM-POSS加入量的改性E-51樹脂粘度</p><p>  從圖3-1可以看出隨著

67、CM-POSS用量的增加,改性后E-51樹脂的粘度迅速增加。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能有兩種:①納米粉末CM-POSS加入環(huán)氧樹脂之后以顆粒形式懸浮于環(huán)氧樹脂之中, CM-POSS顆粒的存在阻滯了環(huán)氧樹脂分子的運動;②CM-POSS與E-51樹脂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或者通過氫鍵等次鍵作用力粘附于樹脂分子之上,使樹脂的重均分子量增加,樹脂分子運動速度降低,且隨著CM-POSS用量的增加,參與化學(xué)反應(yīng)的CM-POSS分子越多,這種效應(yīng)就越明顯。一般情況

68、下,E-51樹脂經(jīng)CM-POSS改性后以顆粒形式懸浮于樹脂之中和與樹脂分子反應(yīng)或通過吸附聯(lián)接于環(huán)氧樹脂分子之上這兩種形式出現(xiàn)的CM-POSS分子均存在,因此改性后E-51樹脂粘度迅速增加是兩種效應(yīng)疊加的結(jié)果。</p><p>  3.4 CM-POSS的加入對E-51/MeTHPA/TEA體系室溫粘度的影響</p><p>  準(zhǔn)確稱取0、0.230、0.680、1.200、2.633g的

69、CM-POSS,并分別與12g環(huán)氧樹脂10.2g的MeTHPA和0.06g的TEA配成CM-POSS質(zhì)量分數(shù)為0、1%、3%、5%、10%的E-51/MeTHPA/CM-POSS/TEA體系,通過攪拌和超聲波使CM-POSS均勻分散于環(huán)氧樹脂中,依次用旋轉(zhuǎn)粘度計測量其粘度并繪制圖表,見圖3-2。</p><p>  圖3-2 不同CM-POSS加入量的E-51/MeHTPA/TEA體系室溫粘度</p>

70、;<p>  從圖3-2看出,與對E-51樹脂的影響不同, CM-POSS的加入對E-51/MeTHPA/TEA體系粘度的影響并不十分顯著,即使CM-POSS用量達到10wt%,其粘度相比CM-POSS用量為0wt%時體系粘度只增加100mPa·s。這是由于與純E-51樹脂相比,體系加入了大量的液體酸酐固化劑MeTHPA,而MeTHPA的室溫粘度極低(為43.6mPa·s),MeTHPA的加入使得體系的

71、粘度大大降低,“遮蔽"了CM-POSS的加入對體系粘度影響</p><p>  3.5 E-51/MeTHPA/CM-POSS/TEA體系化學(xué)流變研究</p><p>  對熱固性樹脂而言,體系的流變行為最顯著的特點是體系粘度變化大,分子擴散受到阻礙,使反應(yīng)速率常數(shù)發(fā)生改變,進而影響化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)機理和進程,反過來這又影響到體系的流變性能,因此熱固性樹脂體系的流變行為又稱為化學(xué)

72、流變行為[37]。一般而言,熱固性樹脂的化學(xué)粘度是剪切速率、壓力、溫度、時間、轉(zhuǎn)化率、填料性質(zhì)的函數(shù),其中化學(xué)反應(yīng)對化學(xué)粘度的影響是大多數(shù)LCM工藝研究的重點。由于反應(yīng)程度與溫度、時間和填料性質(zhì)密切相關(guān),且通過上一節(jié)分析可知,在溫度不高的情況下CM-POSS的加入只對E-51/MeTHPA/TEA體系初始粘度有影響,而對反應(yīng)初始階段的粘度變化影響甚微,因此本節(jié)主要研究溫度和時間對E-51/MeTHPA/TEA體系化學(xué)粘度的影響。<

73、/p><p>  3.5.1動態(tài)粘度特性</p><p>  準(zhǔn)確稱取1.200g的CM-POSS,配制CM-POSS質(zhì)量分數(shù)5%的環(huán)氧樹脂/MeTHPA/CM-POSS/TEA體系,并分別測量該體系在溫度為30℃、40℃、50℃、70℃、80℃、90℃、95℃時粘度,并繪制圖表,見圖3-3。</p><p>  圖3-3 E-51/MeTHPA/CM-POSS/TE

74、A體系的動態(tài)粘度特性</p><p>  從圖3.3可以看出,E-51/MeTHPA/CM-POSS體系的動態(tài)化學(xué)粘度曲線呈U型曲線。在固化歷程初期,溫度升高,樹脂分子活動性增大,粘度下降,且溫度越高,溫度造成的粘度降低就越多。當(dāng)固化反應(yīng)開始時,固化反應(yīng)導(dǎo)致的粘度增加常常被溫度升高(溫度歷程以及固化反應(yīng)放熱)導(dǎo)致的粘度降低大大抵消了。隨著交聯(lián)的進行,樹脂體系逐步形成三維體型結(jié)構(gòu),樹脂固化反應(yīng)引起的粘度變化起主導(dǎo)作

75、用,這時樹脂體系迅速上升。E-51/MeTHPA/CM-POSS/TEA體系從35℃至90℃,化學(xué)粘度保持在200mPa·s以下,超過90℃體系粘度迅速上升。</p><p>  3.5.2等溫粘度特性</p><p>  通過動態(tài)粘度實驗(圖3-3)及DSC曲線分析,在45℃-50℃內(nèi)確定等溫粘度實驗溫度點。選取35℃、40℃、45℃、50℃為等溫粘度實驗溫度點。分別測CM-P

76、OSS質(zhì)量分數(shù)為5%的E-51/MeTHPA/CM-POSS/TEA體系在溫度為35℃、40℃、45℃、50℃時在時間為1.5、3、4.5、6、7.5、9、10.5小時的粘度,并繪制等溫粘度曲線圖表,見圖3-4。</p><p>  圖3-4 E-51/MeTHPA/CM-POSS/TEA體系的等溫粘度特性</p><p>  從圖3-4可以看出,E-51/MeTHPA/ CM-POSS

77、/TEA體系的粘度隨時間的增加逐漸上升,并且隨著等溫溫度的提高,上升的斜率越來越大,即反應(yīng)速率越高。</p><p>  3.6 化學(xué)流變模型的建立</p><p>  對固化過程中熱固性樹脂的粘度變化,一些研究者提出了很多數(shù)學(xué)模型如經(jīng)驗?zāi)P蚚38]、概率模型例[39]及凝膠模型[40]等。其中經(jīng)驗?zāi)P陀捎诤唵畏奖阋驯缓芏嘌芯空卟捎肹41-44]。對于經(jīng)驗表達式,也出現(xiàn)了各種數(shù)學(xué)模型,本文

78、采用Roller半經(jīng)驗?zāi)P瓦M行E-51/MeTHPA/ CM-POSS/TEA體系化學(xué)流變學(xué)的模擬。</p><p>  3.6.1 Roller半經(jīng)驗?zāi)P?lt;/p><p>  熱固性樹脂體系的粘度[45,46]受溫度和固化度變化的綜合影響:溫度的升高有利于樹脂分子鏈的運動,導(dǎo)致粘度降低;固化度的提高使分子鏈運動受到阻礙,導(dǎo)致粘度升高。這兩者的綜合影響可以用下式表達: </p>

79、<p><b>  (3-3)</b></p><p>  式中,η(t) 為樹脂在t時刻的粘度;η0 為樹脂的模型初始粘度,為溫度的函數(shù);α 為固化度[45,46]。</p><p>  當(dāng)固化度很低時,固化度隨時間變化可以視為線性關(guān)系。</p><p><b>  (3-4)</b></p>

80、<p>  式中,k為模型參數(shù)。若給定初始條件,t=0時,α=0,對式(3-4)積分則有</p><p><b>  (3-5)</b></p><p>  將式(3-5)代入式(4-3),則得到描述等溫固化過程中熱固性樹脂粘度變化的雙Arrhenius</p><p><b>  方程,即</b></p

81、><p><b>  (3-6)</b></p><p>  模型初始粘度η0和模型參數(shù)七遵守Arrhenius定律,即</p><p><b>  (3-7)</b></p><p><b>  (3-8)</b></p><p>  式中,η∞ 表示T→

82、∞ 時的計算粘度,△Eη表示粘度的Arrhenius活化能,k∞ 表示 η∞ 的模擬量,△Ek 為△Eη 的動力學(xué)模擬量,T為絕對溫度,R為普適氣體常數(shù)。</p><p>  將式(3-7)、(3-8)代入式(3-6),并兩邊取對數(shù)得</p><p><b>  (3-9)</b></p><p>  在非等溫條件下,方程最后一項可用積分形式表

83、示,方程(3-9)變?yōu)?lt;/p><p><b>  (3-10)</b></p><p>  3.6.2 E-51/MeTHPA/CM-POSS/TEA體系等溫化學(xué)流變模型參數(shù)的計算</p><p>  (1)各溫度下模型初始粘度η0和模型參數(shù)k的計算</p><p>  在等溫條件下模型初始粘度η0和模型參數(shù)k為常數(shù),

84、則將式(3-6)兩邊取對數(shù)得 </p><p><b>  (3-11)</b></p><p>  根據(jù)式(3-11)對η-t 函數(shù)關(guān)系進行最小二乘擬合得到各溫度下樹脂的模型初始粘度η0和模型參數(shù)k值見表3-1。</p><p>  表3-1 各溫度下模型初始粘度η0和模型參數(shù)k值</p><p>  (2)

85、模型初始粘度η0的確定</p><p>  將式(3-7)兩邊取對數(shù)得</p><p><b>  (3-12)</b></p><p>  根據(jù)式(3-12)作lnη0-1/T曲線(見圖3-5)求得模型初始粘度,η0與溫度T關(guān)系為 (3-13)</p><p>

86、;  圖3-5 lnη0-1/T曲線</p><p> ?。?)模型參數(shù)k的確定</p><p>  將式(3-8)兩邊取對數(shù)得</p><p><b>  (3-14)</b></p><p>  根據(jù)式(3-14)作ln k/T曲線(見圖3-6)求得k與溫度T關(guān)系為</p><p><

87、b>  (3-15)</b></p><p>  圖3-6 lnk-1/T曲線圖</p><p> ?。?)E-51/MeTHPA/CM -POSS/TEA體系等溫化學(xué)流變模型</p><p>  將式(3-13)和式(3-15)代入式(3-6)得E-51/MeTHPA/ CM-POSS/TEA體系等溫化學(xué)流變模型</p><

88、p>  η =1.2822*10-2*exp(3093.4000/T)*exp(1411.9112*exp(-5436.5650/T)*t) (3-16)</p><p>  為確定該關(guān)系式的有效性,將實驗數(shù)據(jù)與擬合曲線進行比較,其結(jié)果見圖3-7。</p><p>  圖3-7 E-51/MeTHPA/CM-POSS/TEA體系流變模型曲線與試驗值對比</p>

89、;<p>  從圖3-7中可以清晰地看出,在低粘度區(qū)粘度模型的擬合值與試驗值吻合較好,完全可以用粘度模型預(yù)測恒溫較短時間內(nèi)樹脂體系的實際粘度值。</p><p><b>  4 結(jié) 論</b></p><p><b>  4.1全文總結(jié)</b></p><p>  本文對CM-POSS改性E-51環(huán)氧樹脂的

90、中的化學(xué)流變特性進行了系統(tǒng)實驗研究,主要得出以下結(jié)論:</p><p>  (1)E-51環(huán)氧樹脂經(jīng)CM-POSS改性后室溫粘度值顯著增加,而CM-POSS的加入對E-51/</p><p>  MeTHPA/CM-POSS/TEA體系低溫反應(yīng)初始階段的粘度變化影響并不顯著。</p><p> ?。?)環(huán)氧樹脂與固化劑MeTHPA配比為100:80,促進劑TEA加入

91、量是0.5%的時候熱性能最好。</p><p> ?。?)與在反應(yīng)的初始階段,粘度不高于1500mPa·S時,E-51/MeTHPA/CM-POSS/TEA體系的化學(xué)粘度變化符合雙Arrhenius經(jīng)驗公式。</p><p><b>  4.2不足及展望</b></p><p>  本文還存在一些不足,需在今后的實驗中繼續(xù)改進,主要歸

92、納為以下兩點:</p><p> ?。?)本文采用CM-POSS改性E-51環(huán)氧樹脂,使其熱性能得到了一定的提高,但改性過程中發(fā)現(xiàn)CM-POSS與E-51環(huán)氧樹脂存在較明顯的相容性不匹配問題。</p><p>  (2)有E-51環(huán)氧樹脂對粘度受溫度影響太大對測量其化學(xué)流變造成了一定的難度和誤差。</p><p><b>  參考文獻</b>&

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