热固性形状记忆氰酸酯树脂的制备及表征技术研究

论文摘要

形状记忆聚合物是一种具有广泛应用前景与巨大发展潜力的智能聚合物材料,由于其具有低成本、质量轻、形变量大、易驱动和性能可控等一系列优异性能,已成为智能材料领域的研究热点之一。首先采用化学合成的方法制备了两种不同改性剂改性的氰酸酯形状记忆聚合物,采用傅里叶变换红外光谱分析、差示扫描量热分析、热失重分析、动态热机械分析、拉伸试验等方法系统地研究了材料的微观结构、热性能、力学性能和形状记忆效应,并据此分析了材料的微观结构与宏观性质之间的联系。本文旨在拓宽形状记忆聚合物材料在航空航天领域的应用范围,研制出一种适合高温环境使用的高性能形状记忆聚合物材料。研究发现设计合成的新型热固性氰酸酯形状记忆聚合物具备优良的力学性能、较高的玻璃化转变温度和耐热性能。改性剂PEG使聚合物的玻璃化转变温度从156.9℃到259.6℃可调。而改性剂HTBN与氰酸酯单体反应性较好,实现了对聚合物材料的增韧,抗拉强度提高到50MPa以上。两个体系的热分解起始温度均高于300℃,拉伸强度达到30MPa～75MPa,弹性模量为0.8GPa～1.6GPa,其力学性能符合工程塑料标准,适宜用作航空航天结构材料使用。分析了改性剂含量对材料力学性能的影响,认为少量改性剂的加入使聚合物的交联密度增加,强度增强。随着改性剂的继续增加,体系的交联密度降低,链段活动性增强,材料强度降低,但塑性变形能力有所提升,断裂延伸率提高。研究发现所制备的氰酸酯形状记忆聚合物具有显著的粘弹性特征,表现出优异的形状记忆效应。所制备的氰酸酯形状记忆聚合物具有较快的形状回复速度(回复时间最多不超过65s)和较高的形状回复率(>95%),而且改性剂含量对形状回复率的影响较小,即不同玻璃化转变温度的氰酸酯SMP都有较高的形状回复率。在试验中发现通过提高变形和回复温度可以大幅减少试样的受热时间,改善其老化现象;另外通过在变形回复之前对试样进行外力束缚下的短时保温操作,可提高材料的回复驱动力。关于形状记忆原理本文分析了聚合物在变形回复前后的体系结构和熵值变化,认为形状记忆聚合物在形状回复过程中,体系熵值增大的趋势是其具备形状记忆效应的本质原因。通过红外光谱分析了氰酸酯聚合物的化学组成,发现其最主要的结构特征是生成了交联点——三嗪环,基于此建立了氰酸酯均聚物的简化分子模型,并对体系的玻璃化转变过程进行了模拟,得到了与实验值相近的玻璃化转变温度,说明了这种模型建立方法的合理性以及用分子动力学方法模拟形状记忆聚合物各项性能的可行性,为今后的研究提供了一个可能方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 形状记忆聚合物概述
• 1.2.1 形状记忆聚合物的形状记忆原理
• 1.2.2 形状记忆聚合物的分类
• 1.2.3 形状记忆聚合物的发展现状
• 1.3 氰酸酯形状记忆聚合物的研究现状
• 1.3.1 氰酸酯树脂的概念和特点
• 1.3.2 氰酸酯树脂的固化与改性
• 1.3.3 形状记忆氰酸酯树脂研究现状
• 1.4 高分子聚合物的分子动力学研究现状
• 1.4.1 分子动力学基本概念
• 1.4.2 分子动力学模拟在高分子材料中的应用
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 实验材料及测试方法
• 2.1 主要实验原料与设备
• 2.2 形状记忆氰酸酯树脂的制备
• 2.3 测试表征方法
• 2.3.1 静态力学性能测试
• 2.3.2 动态力学性能测试
• 2.3.3 差示扫描量热分析
• 2.3.4 热失重分析
• 2.3.5 傅立叶变换红外光谱分析
• 2.3.6 形状记忆行为表征
• 2.4 本章小结
• 第3章 形状记忆氰酸酯树脂机械性能和热性能分析
• 3.1 引言
• 3.2 氰酸酯形状记忆聚合物的改性剂选择与结构设计
• 3.3 对初期制品的热性能分析
• 3.4 形状记忆氰酸酯树脂的机械性能分析
• 3.4.1 静态力学性能分析
• 3.4.2 动态力学性能分析
• 3.5 形状记忆氰酸脂的热性能分析
• 3.5.1 差示扫描量热分析
• 3.5.2 热失重分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 形状记忆氰酸酯的形状记忆性能及机理探究
• 4.1 引言
• 4.2 氰酸酯SMP 的形状记忆性能分析
• 4.2.1 氰酸酯SMP 的形状记忆效应表征
• 4.2.2 氰酸酯SMP 形状记忆效应的理论分析
• 4.3 氰酸酯SMP 的分子结构及其玻璃化转变温度的分子动力学模拟尝试
• 4.3.1 氰酸酯SMP 的红外光谱分析
• 4.3.2 氰酸酯SMP 的玻璃化转变温度的分子动力学模拟尝试
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢