C/C复合材料用高成炭率酚醛树脂的制备及其耐热性能的研究

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本文以甲醛和苯酚为原料,氨水为催化剂制备C/C复合材料用高成炭率酚醛树脂(Phenolic Formaldehyde 简称PF)。系统地考察了甲醛/苯酚摩尔比、反应温度、保温时间等工艺参数对酚醛树脂的收率、固含量、游离甲醛含量、粘度、固化损失率以及成炭率等的影响,确立了制备高成炭率酚醛树脂的工艺方法和工艺条件。同时结合傅立叶变换红外光谱(FTIR)、热重(TG)、示差扫描量热分析(DSC)和固体核磁共振(13C-NMR)等分析测试手段,探讨了酚醛树脂的内在结构与其热稳定性和成炭率之间的关系,找出了影响酚醛树脂成炭率的主要结构因素。   研究结果表明,在酚醛树脂的制备过程中,甲醛/苯酚摩尔比、反应温度、保温时间是影响其内在结构和性能的主要工艺因素。随着甲醛/苯酚摩尔比的增大,反应温度的升高,保温时间的延长,酚醛树脂的粘度逐渐增大,固化损失率和成炭率均呈先增大后减小的变化规律。制备高成炭率酚醛树脂的最佳工艺条件为甲醛/苯酚摩尔比1.2:1,反应温度90 ℃,保温时间25 min。该工艺条件下制备的酚醛树脂在700 ℃氮气气氛下的成炭率高达73.8[%]。与市售普通酚醛树脂(成炭率57.5[%])相比,自制的氨酚醛树脂具有更好的耐热性能和更高的成炭率。   通过对酚醛树脂成炭率与其内在结构的关系探讨,发现酚醛树脂结构中不同取代位亚甲基的相对含量是影响酚醛树脂耐热性能和成炭率的主要因素。P-P位亚甲基的热稳定性高于O-O位亚甲基,O-O位亚甲基的存在会降低酚醛树脂的热稳定性,但O-O位亚甲基有利于酚环烷化成环,在一定程度上可以提高树脂的成炭率。   为了进一步提高酚醛树脂的耐热性能和成炭率,使其更适合用作C/C复合材料的树脂炭基体,还采用以下三种方法对自制的高成炭率氨酚醛树脂进行了改性研究。一是在氨酚醛树脂分子链中分别引入两种具有反应性官能团的活性稀释剂——水杨醛和苯甲醛,通过形成新的共轭体系提高酚醛树脂的成炭率;二是在酚醛树脂的分子结构中引入硼酸,改变其分子结构,生成键能较高的硼酯键以提高酚醛树脂的成炭率;三是对酚醛树脂进行复合改性,即在硼酸改性后的酚醛树脂中再分别引入活性稀释剂——水杨醛和苯甲醛,进一步提高酚醛树脂的成炭率。初步实验结果表明,这些方法都可以不同程度地提高酚醛树脂的成炭率。
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