寧波材料所在寬溫域力學穩(wěn)定性鄰苯二甲腈樹脂制備方面取得進展
鄰苯二甲腈樹脂玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在350℃以上，具有極低的吸水率和優(yōu)異的力學強度，在航空航天、電子封裝和軌道交通等領(lǐng)域應用廣泛，是面向極端環(huán)境應用的高性能高分子材料之一。但目前為止的鄰苯二甲腈樹脂普遍存在單體熔點過高（＞200℃）、加工窗口過窄、固化時間長、后固化溫度高和高溫下殘?zhí)柯实偷热秉c，限制了其加工與應用。
為了設(shè)計出耐溫性能更好的樹脂，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所先進能源材料工程實驗室和哈爾濱工業(yè)大學化工學院通過引入硼原子制備了兩種改性鄰苯二甲腈樹脂c-BPN和c-PBPN（如圖1所示）。
硼改性鄰苯二甲腈單體BPN和PBPN具有熔點低、溶解性好和可自催化的優(yōu)點，有效提高了加工性能（如圖2所示）。固化后的樹脂c-BPN和c-PBPN具有優(yōu)異的熱氧穩(wěn)定性（如圖3a所示），硼元素明顯的缺電子特征，在高溫下從相鄰的C原子吸引電子，使無定形的碳轉(zhuǎn)化為有序的石墨碳結(jié)構(gòu)，從而提高了樹脂的殘?zhí)柯?。隨著B-O鍵的加入，c-BPN和c-PBPN熱釋放能力減弱（如圖3b所示），同時硼元素在高溫下形成氧化硼薄膜，隔絕氧氣，阻止燃燒進一步傳播，進而提高樹脂的耐燒蝕性能。剛性的硼酸酯結(jié)構(gòu)顯著提高了鄰苯二甲腈樹脂的儲能模量和硬度，在400℃的高溫下，c-BPN和c-PBPN的儲能模量分別達到1.54GPa和1.81GPa（如圖3c所示），具有較高的機械強度和明顯的寬溫域優(yōu)勢。另外，在400℃仍未出現(xiàn)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，聚合物分子鏈在高溫下未引起鏈段滑移，具有穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
以上研究工作近期以“High-Performance Boron-containing Phthalonitrile Resins”為題，發(fā)表在Polymer Chemistry上（https://doi.org/10.1039/D3PY00070B）該研究工作第一作者為國科大碩士生孔文靜，通訊作者為寧波材料所宋育杰副研究員和哈工大化工學院劉明教授，得到了國家自然科學基金（No.52203019）、寧波3315計劃（2018A-03-A）、廣東省基礎(chǔ)與應用基礎(chǔ)研究基金（2022A1515110919）、大學基本科研業(yè)務費專項資金（AUGA2160100119）和中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金（LH2021E055）的支持。
圖1 c-BPN和c-PBPN聚合物結(jié)構(gòu)示意圖
圖2 單體RPN、BPN和PBPN的DSC曲線圖
圖3 c-RPN、c-BPN和c-PBPN：（a）在空氣氛圍下熱失重曲線圖；（b）熱釋放速率曲線圖；（c）儲能模量曲線圖
?。ㄏ冗M能源材料工程實驗室）