2耐高温杂化有机硅树脂的合成及复合材料的高温力学性能.pdf
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1、第 3 4卷第 4期 固 体 火 箭 技 术 J o ur na l o f S o l i d Ro c k e t Te c h n o l o g y Vo 1 3 4 No 4 201 1 耐 宣 日立 L 同皿刁 化有机硅树脂 的合成及 复合材料 的高温力学性能 阂春英,黄玉东,宋浩杰,施周,许登泉。(1 江 苏大学 材料科学与工程学 院,镇江2 1 2 0 1 3;2 哈尔滨工业大学 应用化学系,哈尔滨1 5 0 0 0 1;3 江苏海华生物科技有限公司,镇江2 1 2 0 0 9)摘要:以一 甲基三 甲氧基硅烷(M T M S)和正硅酸 乙酯(T E O S)为原料,甲醇为溶剂,
2、通过溶胶一 凝胶 法制备 出S i O,杂化 有机硅树脂。借助傅立叶变换红外光谱(F T I R)表征其高温结构变化,热失重分析(T G)研究 S i O 杂化有基硅树脂的热稳 定性和热降解机理。对 T E O S改性甲基硅树脂 石英纤维复合材料在高温下的弯曲强度测试表明,T E O S的引入提 高了甲 基硅树脂复合材料 的弯曲强度,尤其是 高温务件 下弯 曲强度提 高更加 明显。通过 扫描 电子 显微 镜(S E M)对复合材料 弯曲 断口形貌观察表明,高温条件下,在甲基硅树脂中引入 T E O S,能有效改善甲基硅树脂与石英纤维结合状况。关键词:硅 树脂;溶胶一 凝胶法;正硅酸 乙酯;耐热
3、性 中图分类号:V 2 5 8 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 6 2 7 9 3(2 0 1 1)0 4-0 5 2 0-0 5 S y n t h e s i s o f h i g h t e mp e r a t u r e r e s i s t a n c e h y b r i d s i l i c o n r e s i n a n d e v a l u a t i o n 0 f i t s c o m p o s i t e ma t e r i a l s hig h-t e mp e r a t u r e me c h a n i c a l p r o p
4、 e r t y MI N C h u n y i n g ,H U A N G Y u d o n g ,S O N G H a o-j i e ,S H I Z h o u ,X U D e n g q u a n。(1 S c h o o l o f Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g,J i ang s u U n i v e r s i t y,Z h e n j i a n g 2 1 2 0 1 3,C h i n a;2 D e p a r t me n t o f Ap p l i e d C h
5、e mi s t r y,Ha r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y,Ha r b i n,1 5 0 0 0 1,C h i n a;3 J i a n g s u H a i h u a B i o t e c h C o ,L t d Z h e i a n g 2 1 2 0 0 9,C h i n a)A b s t r a c t:Hy b ri d S i O 2 S i l i c o n r e s i n w a s s y n t h e s i z e d v i a a s o l-g e l r o u
6、t e b y u s i n g C H 3 S i(O C H 3)3 a n d s i(O C 2 H 5)4 as p ri m a r y ma t e r i a l s a n d CH3 OH a s t h e s o l v e n t Th e p r e p a r e d h y b rid S i O2 Si l i c o n r e s i n wa s ch a r a c t e riz e d b y Fo u rie r t r a n s f o r m i nf T a r e d s p e c t r a (F T I R)T h e t h
7、e r ma l p r o p e rt i e s a n d t h e r m a l d e g r a d a t i o n m e c h a n i s m w e r e i n v e s t i g a t e d b y t h e r m o g r a v i m e t r i e a n a l y s i s(T G)Q u a r t z fi b e r r e i n f o r c e d me t h y l s i l i c o n r e s i n a n d T E OS mo d i fi e d me t h y l s i l i
8、c o n r e s i n c o mp o s i t e s we r e p r e p a r e d Th e r e s u l t s s h o w t h a t fle x u r a l s t r e n g t h o f T EOS mo d i fie d me t h y l s i l i c o n r e s i n q u a rtz fib e r c a n b e i mp r o v e d wi t h t h e a d di t i on o f T EOS,e s p e c i a l l y t he fle x u r a l
9、s tre n g t h o f c o mpo s i t e s u nd e r h i g h t e mp e r a t u r e Th e mo r p ho l o g i e s o f fle x ur a l f r a c t ur e o f c o mpo s i t e wi t h d i f f e r e n t r a t i o o f TEOS we r e o b s e r v e d b y s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y(S E M),a n d S E M m i c
10、 r o s c o p i c s t u d i e s s h o w t h a t t h e p r e s e n c e o f T E O S i n m e t h y l s i l i c o n e r e s i n,t o a l a r g e e x t e n t,i mp r o v e s i n t e r f a c i a l s t r e n gth b e t w e e n me t h y l s i l i c o n r e s i n a n d q u a r t z fi b e r u n d e r h i g h t e
11、mp e r a t u r e Ke y wor ds:s i l i c o n r e s i n;s o l g e l;TEOS;h e a t r e s i s t a n t 0 引言 有机硅树脂作为一种具有优异耐热性能的树脂已 广泛用于国民经济 中,尤其在航天航空领域用作雷达 天线罩材料的树脂基体 J。随着航天飞行器 的飞行 马赫数 不断提 高,处 于 飞行 器 动 热最 大 位 置 的 天线 罩 需承受的温度和热冲击越来越大。因此,进一步提高 有机硅树脂 的耐热性及复合材料高温条件下的力学性 能成为研究的重点_ 3 I 4 J。硅树脂基复合材料作 为一种 新型的多功能航天材
12、料,其具有优 良的耐热性、介电 性、抗震性 等功能,受到 国内外航天界高度重 视。通 常加入 金属 氧化物 ,或 在 有机 硅 主链 上 引入 各种杂环或杂环耐热结构以及杂原子等官能 团、碳硼 收稿 日期:2 0 1 0 1 2-3 1;修回 日期:2 0 1 1 02-0 9。基金项 目:国家 自然 科 学 基金 资助 项 目(N o 5 0 9 0 3 0 4 0);江 苏省 高校 自然 基 金 项 目(N o 0 9 K J B 4 3 0 0 0 2);中 国博 士 后 基 金(2 0 1 0 0 4 8 1 0 9 2);江苏省博士后资助(】0 0 2 0 3 1 C);大学生实践创
13、新计_ l戈 U 项 目(2 0 0 9 0 0 1)。作者简介:闵春英(1 9 7 9 一),女,讲 师,主要从事聚合 物基复合材料方面的研究。E ma i l:m j 7 9 0 2 0 6 1 2 6 c 0 m -5 2 0-2 0 1 1 年 8月 闵春英,等:耐高温杂化有机硅树脂的合成及复合材料的高温力学性能 第 4期 笼状结构、杂环耐热基团来提高有机硅树脂的耐热性。本研究拟采用溶胶凝胶法,通过正硅酸 乙酯与 甲基三 甲氧基硅烷的一步法水解共缩聚向有机硅树脂体系中 引入 四官能硅原子,制备 S i O 杂化有机硅树脂。本研究对合成 的 S i O 杂化 甲基硅 树脂 的高温结 构变
14、化、耐热性能及耐热机理进行 了讨论。制备 了甲 基硅 树脂 石英纤维 复合材料 和 T E O S改性 甲基硅树 脂 石英纤维复合材料,对高温处理后复合材料 的弯曲 强度变化进行 了初步探讨;通过扫描 电镜对上述复合 材料高低温弯曲断 口形貌进行 比较。1 实验 1 1实验材料与试剂 石英纤维,陕西兴平玻璃纤维总厂,使用前未作任 何处理;MT MS,哈尔滨化工研究所试验厂;T E O S,化学 纯,天津市化学试剂一厂;甲醇为分析纯,盐 酸为分析 纯,蒸馏水。1 2 T E OS改性 甲基硅树脂的合成 将一定 比例 的 M T MS和 T E O S溶于无水 甲醇 中,置于三口烧瓶,在室温下混合
15、搅拌 1 5 mi n,升温至5 O 6 0 c C,将适量 的盐酸与蒸馏水缓慢滴加 混合物 中,控 制体系的p H值取 2 3。在充分搅拌的条件下,冷凝 回流反应 4 6 h,冷却 至室温,反应完毕后,得到无 色 均质透明的改性树脂。甲基硅树脂 的合成通过上述 MT MS在甲醇溶液中 的水解缩聚反应制得。1 3复合材料试样制备 将完全浸渍树脂的石英纤维均匀缠绕到铝框上,放到密闭的模具 中,采用如图 1 所示的程序制备。图 1 石英纤维 改性 甲基硅树脂 复合材料成型工艺 Fi g 1 Pr e s s e d pr o ce s s i ng s c he me o fqua r t z f
16、ib er m o di f e d m e t hyl s i l i c o ne c o m po s i t e s 1 4固化树 脂 的性 能测 试 采用溴 化钾 压 片法,用美 国 N i c o l e t N e x u s 6 7 0型 F T I R光 谱 仪 进 行 红 外 分 析。T G 分 析 采 用 德 国 N E T Z S C H公司得 S A T-4 4 9 C型热分析议,在氮气气 氛 下,升温速率为 1 0 C m i n,测试范围为室温 6 0 0。1 5 耐 热性 实验 固化树脂的耐热性采用 P E公 司 T G-7热重分析。升温范围:室 温 1 4 0
17、 0 o C;升温 速率:1 O o C m i n;气 氛:空气。1 6复合材料弯曲强度测试 将试样裁成 3 2 m m1 2 m m 2 m m试件,按照 G B 1 4 4 9 3标准在电子万能试验机上测试弯 曲强度,载 荷速度 2 0 m m mi n(试样 每一温度 5个,测试数据 的 标准偏差为测试数据均值 的 2 0)。在 01 0 0 0范 围内将 此规 格 的复 合材 料试 样 在 马弗 炉 中烧蚀 3 0 m i n,自然冷却,测试其弯曲强度。弯曲强度计算式为 O f=式 中o r f 为 弯 曲强度,MP a;P b 为破坏载荷,N;z 为 跨 距,mm;b为试样宽度,m
18、 m;h为试样厚度,m m。1 7扫描 电镜 分析 利用 日本 J S M 8 4 0型扫描电镜(s E M)观察室温及 高温处理后试样 的破坏断 口形貌。2结果与讨 论 2 1 T E OS改性 甲基硅树脂合成机理 本文以 T E O S为无机相前驱体,M T MS为有机相前 驱体,通过水解一 缩聚反应制备 T E O S改性 甲基硅树脂,其工艺路线如图 2所示。图 2 T E O S改性 甲基硅树脂工艺路线 Fi g 2 F l o w d i a g r a m o f T EOS m o d i f e d me t h y l s i l i c o n e r e s i n (1
19、)水 解过 程 T3-十 C H 3 S i(O C H。)+3 H 2 0 _ 二 二 一 c H,S i(O H)+3 C H 3 O H(2)U+S i(O C 2 H 5)4+4 H 2 0 一 S i(O H)4+4 C 2 H 5 O H (3)(2)共缩聚反应 7 H,f H f H f H 3 一f i一 0 H H 0 一 f i一 一 f 一。一 f 一 H 2 0 l J J I(4)Cl H3 l C I H 3 I 一 i一 0 H+H 0 一 f i一 _一 f i o f i一 0 I I l I-5 21-2 0 1 1 年 8月 固体火箭技术 第 3 4卷 l
20、 l l l S i 一 0H+H0一 S i+一 S i 一 0一 Si 一十 H,O J (6)反应过程 中,甲基三甲氧基硅烷水解 的产物与正 硅酸乙酯水解生成的高活性结构缩合生成新的网状或 笼状结构,T E O S以其特有的四官能链节与有机相间以 化学键相连,即生成 T E O S改性 甲基硅树脂 预聚体。使得制备的杂化树脂在宏观上无相分离,从而显示 出 均质透明的性质。2 2 T G 分 析 不同比例 T E O S改性的甲基硅树脂在空气气氛中 的 T G曲线对比如图3所示。温度 图 3 甲基硅树脂和不 同比例 T E OS改性 甲基硅树脂 在空气气氛中的 T G 曲线 Fi g 3
21、TG c ur w of met hyl s i l i c o ne r e s i n a nd d i ffe r e nt pr opo r t i o n TEOS mo d i f e d me t h y l s i l i c o n e r e s i n s i n a i r a t m o s p h e r e 从图 3可看 出,T E O S改性 甲基硅树脂耐热性能明 显高于未改性的纯甲基硅树脂耐热性能。其 中,甲基 硅树脂在空气气氛中起始热分解温度为 1 1 0 c c,在 2 5 0 时失重率超过 5 0 ,3 0 0时失重率超过 1 0 O。而不同比例 T E
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