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超支化聚合物提高环氧树脂的韧性和抗冲击强度

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超支化聚合物提高环氧树脂的韧性和抗冲击强度    |    2022-09-29  |   
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增韧的环氧树脂具有优良的力学性能,广泛用于高性能复合材料和结构胶粘剂。许多研究工作致力于提高环氧树脂的抗冲击强度和韧性。几十年来,通过加入微米尺寸的液体橡胶、壳核结构橡胶(CSR)颗粒、热塑性塑料颗粒等,在增强环氧树脂的粘附强度和抗冲击方面取得了很大进展。嵌段共聚物颗粒作为增韧剂引起了极大关注。固化过程中,这些嵌段共聚物倾向于自组装在环氧树脂中形成特定的纳米结构。这些自组装纳米结构可提高固化环氧树脂材料的断裂韧性而不影响其玻璃化转变温度(Tg)和抗张强度。除了CSR颗粒,大多数增韧材料在低温下的增韧效果较差。本研究中,作者合成了纳米级超支化聚合物(HBPs),并将其作为增韧剂加入环氧树脂以提高其韧性和柔性。

超支化聚合物是支化稠密的大分子,具有三维球形结构。HBPs粘度低、功能基多、链缠绕少、自由体积大、溶解性高,易于合成。基于以上优点,HBPs可用于各种环氧体系,如涂层材料、改性剂等。一些研究还报道了用超支化聚合物作为增韧剂来提高环氧树脂的韧性。不同功能基的HBPS,如环氧基、羧酸基、羟基、胺基等都可提高环氧树脂的韧性。

HBPs是包括环氧树脂在内的高效聚合物改性剂。这是由于(1)其可扩展的支链和球形结构能降低环氧树脂的收缩率;(2)高密度的功能端基,如羟基、胺基、环氧基、酸酐基、羧基、异氰酸酯基等可显著提高HBPs与环氧树脂的相容性;(3)结构中大量的自由体积可显著提高环氧树脂的韧性。

韩国国立釜山大学的Youngson Choe等人制备了纳米尺寸的超支化聚合物HBPs,并将其作为增韧剂加入环氧树脂以提高韧性和柔韧性。作者合成了两种不同的HBPs,超支化聚甲基丙烯酸二乙醇胺酯(poly(MA-DEA)、超支化聚甲基丙烯酸乙二醇酯(poly(MA-EA)。他们将这两种超支化聚合物与环氧树脂、固化剂聚醚胺共混,得到了复合材料。估算HBPs的分子直径为6~14nm,分子量1500-7000(1.5K-7Kg/mol.)。固化过程中,环氧树脂/HBP共混物无相分离,说明它们的混合性良好。在不影响抗拉强度的前提下,共混物的拉伸韧性随分子量变化而提高。当HBPs的含量为10 wt%时,抗冲强度不断增加。此外,试验显示,混合物的抗冲强度随HBPs分子量增加而提高。比较于纯环氧树脂,环氧树脂/HBP共混物的抗冲击强度提高了270%。

图. 超支化聚合物的合成路线

文献来源:Hangyu Park and Youngson Choe*. International Journal of Polymer Science, 2021, 2021, 9984174.

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