一种倍半硅氧烷改性的杂化酚醛树脂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种倍半硅氧烷改性的杂化酚醛树脂及其制备方法与应用，属于高性能树脂基复合材料领域。本发明专利技术实施例提供的倍半硅氧烷改性的杂化酚醛树脂，通过采用式(1)所示的POSS分子与酚醛树脂发生反应，形成以POSS分子为化学交联点的杂化酚醛树脂固化物，得到杂化酚醛树脂，同时POSS杂化分子的加入起到纳米粒子增强的作用，该树脂起始最大分解温度由纯树脂的450℃提高到580℃左右，残重由58％升高至65％左右，显著提高了材料的耐烧蚀性；本发明专利技术提供的POSS改性的杂化酚醛树脂在航天飞行器树脂基先进热防护材料领域具有潜在的应用前景。

Hybrid phenol formaldehyde resin modified by sesquioxane and preparation method and application thereof

The invention relates to a hybrid phenolic resin modified by silsesquioxane and a preparation method and application thereof, belonging to the field of high performance resin matrix composite materials. The hybrid phenolic resin modified by silsesquioxane provided by the embodiment of the invention reacts with the phenolic resin by adopting the POSS molecule shown in Formula (1) to form a hybrid phenolic resin curing material with the POSS molecule as the chemical crosslinking point, and obtains the hybrid phenolic resin. At the same time, the hybrid POSS molecule is added to enhance the nanoparticles. The maximum initial decomposition temperature of the resin is raised from 450 C to 580 C, and the residual weight is increased from 58% to 65%. The ablation resistance of the resin is significantly improved. The POSS modified hybrid phenolic resin has potential application prospect in the field of advanced resin-based thermal protection materials for spacecraft.

【技术实现步骤摘要】
一种倍半硅氧烷改性的杂化酚醛树脂及其制备方法与应用
本专利技术涉及一种半笼形多面体倍半硅氧烷(POSS)分子改性的杂化酚醛树脂及其制备方法，属于高性能树脂基复合材料领域。
技术介绍
随着航天飞行器飞行热环境的不断改变，对热防护系统的材料需求也不断发生变化。临近空间飞行器的出现，使得烧蚀型热防护材料在面对高温烧蚀环境的同时还要面临有氧环境的考验。以酚醛树脂为主要基体的树脂基烧蚀防热复合材料，烧蚀碳化后能够形成稳定坚固的碳层结构，抵御热流的冲刷，同时增加高温辐射作用。然而在有氧环境下，烧蚀形成的多孔碳化层极易被O2分子腐蚀，进而破坏碳层结构，削弱高温辐射防热的作用，甚至会引起气动外形发生巨变，造成飞行失利。因此，面对航天、军工领域对烧蚀防热复合材料日益苛刻的需求，对酚醛树脂基体的抗氧化性、耐烧蚀性提出了更高的要求。有机硅类化合物改性酚醛树脂的烧蚀和抗氧化性能在文献中多有报道。POSS作为有机硅化合物中具有独特结构特点的低聚物，在酚醛树脂基体改性中也有相应报道。在YueWu等人的文献(PolymerBulletin,2013,70:3261-3277)中报道了八苯基POSS分子改性热塑性酚醛树脂的方法，整个反应体系以四氢呋喃作为溶剂介质，得到的改性酚醛树脂，该改性酚醛树脂起始分解温度由纯树脂的312℃提高到385℃，但是残炭率由65％降低至58％左右，耐烧蚀性显著下降，烧蚀效率降低。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种倍半硅氧烷改性的杂化酚醛树脂及其制备方法，克服有机硅类化合物改性酚醛树脂基体耐烧蚀性、烧蚀碳化层易氧化等方面的不足。为实现上述专利技术目的，本专利技术提供如下技术方案：一种倍半硅氧烷改性的杂化酚醛树脂，由倍半硅氧烷和酚醛树脂交联反应制得，所述的倍半硅氧烷具有如下的分子结构：其中，R为异丁基、苯基或异辛基，R1为H或在一可选实施例中，所述的倍半硅氧烷与酚醛树脂的质量比为1:2～99。一种倍半硅氧烷改性的杂化酚醛树脂的制备方法，包括如下步骤：步骤1：将倍半硅氧烷溶解在醇类溶剂中，得到倍半硅氧烷溶液；步骤2：将所述倍半硅氧烷溶液与酚醛树脂溶液混合，搅拌均匀，得到杂化树脂液；步骤3、将所述杂化树脂液于50～70℃下真空抽排溶剂，然后升温固化，得到倍半硅氧烷改性的杂化酚醛树脂。在一可选实施例中，步骤1中所述的醇类溶剂为甲醇、乙醇或异丙醇。在一可选实施例中，步骤1中所述的倍半硅氧烷溶液的质量浓度为5～70％。在一可选实施例中，所述的倍半硅氧烷与所述酚醛树脂溶液中的酚醛树脂的质量比为1:2～99。在一可选实施例中，步骤2所述的酚醛树脂溶液中溶剂为乙醇、甲醇或异丙醇；步骤2所述的酚醛树脂溶液质量浓度为50～85％。在一可选实施例中，步骤3首先在85-120℃反应1-10小时，然后升温至90～180℃固化2～30小时。在一可选实施例中，步骤3中以0.1-3℃/min的升温速率升至85-120℃；以0.5-5℃/min的升温速率升温至90～180℃。上述方法制备的倍半硅氧烷改性的杂化酚醛树脂应用于烧蚀防热材料领域。本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：1、本专利技术实施例提供的倍半硅氧烷改性的杂化酚醛树脂，通过采用式(1)所示的POSS分子与酚醛树脂发生反应，形成以POSS分子为化学交联点的杂化酚醛树脂固化物，得到杂化酚醛树脂，同时POSS杂化分子的加入起到纳米粒子增强的作用，该树脂起始最大分解温度由纯树脂的450℃提高到580℃左右，残重由58％升高至65％左右，显著提高了材料的耐烧蚀性；2、本专利技术提供的酚醛树脂杂化液中，能够实现半笼形POSS分子和酚醛树脂的互溶，不出现明显相分离，制备过程化学毒性小，清洁；3、通过控制固化升温速率，使得POSS分子能够在酚醛树脂基体中充分溶解，小分子反应产物充分挥发减小相分离现象的发生；同时POSS分子能更多地与酚醛树脂基体发生化学交联反应，形成更多的化学交联点，增加杂化树脂的强度和耐烧蚀性能；4、本专利技术所提供的半笼形POSS分子改性的杂化酚醛树脂在先进热防护材料领域具有重大的应用价值。附图说明图1：实施例1所制备的杂化酚醛树脂固化和纯钡酚醛树脂固化物的热重分析曲线；图2：纯钡酚醛树脂固化物冷冻脆断面的扫描电子显微镜(SEM)照片；图3：实施例1所制备的杂化酚醛树脂固化物冷冻脆断面的SEM照片；图4：实施例1所制备杂化酚醛树脂固化物脆断面中POSS的电子能谱数据和SEM照片；图5：实施例2所制备的杂化酚醛树脂固化和纯高碳酚醛树脂固化物的热重分析曲线；图6：实施例2所制备的杂化酚醛树脂固化物冷冻脆断面的SEM照片；图7：实施例3制备的杂化酚醛树脂固化物冷冻脆断面的SEM照片。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下文将结合说明书附图和具体实施例对本专利技术作更全面、细致地描述，但这些实施例并不应理解为是对本专利技术的限制，也不仅限于实施例提供的具体条件、参数或数值才能实施本专利技术。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述的酚醛树脂可以利用现有酚醛树脂，或者利用现有技术合成的酚醛树脂，半笼形POSS分子可以从公开商业途径获得，也可以按照现有技术合成，如文献ChemicalReviews,2010,110:2081-2173所提到的POSS合成方法。下面结合具体实施例对本专利技术作进一步详细地描述。本专利技术实施例提供了一种倍半硅氧烷改性的杂化酚醛树脂，由倍半硅氧烷和酚醛树脂交联反应制的，其中，所述倍半硅氧烷具有如式(1)所示的分子结构：其中，R为异丁基、苯基或异辛基，R1为H或具体地，本专利技术实施例中，所述酚醛树脂可以为廉价易得的普通酚醛树脂、硼酚醛树脂、高碳酚醛树脂或热塑性酚醛树脂等；本专利技术实施例提供的倍半硅氧烷改性的杂化酚醛树脂，通过采用式(1)所示的POSS分子与酚醛树脂发生反应，形成以POSS分子为化学交联点的杂化酚醛树脂固化物，得到杂化酚醛树脂，同时POSS杂化分子的加入起到纳米粒子增强的作用，该树脂起始最大分解温度由纯树脂的450℃提高到580℃左右，残重由58％升高至65％左右，显著提高了材料的耐烧蚀性。在一可选实施例中，所述的倍半硅氧烷与酚醛树脂的质量比为1:2-99，优选1:4-20，以保证倍半硅氧烷在酚醛树脂中的均匀分散，同时进一步提高了杂化酚醛树脂的抗烧蚀性。本专利技术实施例还提供了一种倍半硅氧烷改性的杂化酚醛树脂的制备方法，包括以下步骤：步骤1、将倍半硅氧烷溶解在醇类溶剂中，得到倍半硅氧烷溶液；步骤2、酚醛树脂溶液加入所述倍半硅氧烷溶液中，搅拌混合，得到杂化树脂液；步骤3、将所述杂化树脂液于50～70℃下真空抽排溶剂，然后升温固化，得到倍半硅氧烷改性的杂化酚醛树脂，其中，所述倍半硅氧烷具有如下的分子结构：其中，R为异丁基、苯基或异辛基，R1为H或本专利技术实施例提供的倍半硅氧烷改性的杂化酚醛树脂制备方法，通过采用式(1)所示的POSS分子与酚醛树脂发生反应，形成具有以POSS分子为化学交联点的杂化酚醛树脂固化物，得到杂化酚醛树脂，该树脂起始最大分解温度由纯树脂的450℃提高到580℃左右，残重由58％升高至65％左右，显著提高了材料的耐烧蚀性。在一可选实施例中，步骤1中所述的醇类溶剂为甲醇、乙醇或异丙醇。在一可选实施例中，步骤1中所述的倍半硅氧烷溶液的质量浓度为5～70％。在一可选实施例中，步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种倍半硅氧烷改性的杂化酚醛树脂，其特征在于，由倍半硅氧烷和酚醛树脂交联反应制得，所述的倍半硅氧烷具有如下的分子结构：

【技术特征摘要】
1.一种倍半硅氧烷改性的杂化酚醛树脂，其特征在于，由倍半硅氧烷和酚醛树脂交联反应制得，所述的倍半硅氧烷具有如下的分子结构：其中，R为异丁基、苯基或异辛基，R1为H或2.根据权利要求1所述的倍半硅氧烷改性的杂化酚醛树脂，其特征在于，所述的倍半硅氧烷与酚醛树脂的质量比为1:2～99。3.一种倍半硅氧烷改性的杂化酚醛树脂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：将倍半硅氧烷溶解在醇类溶剂中，得到倍半硅氧烷溶液；步骤2：将所述倍半硅氧烷溶液与酚醛树脂溶液混合，搅拌均匀，得到杂化树脂液；步骤3、将所述杂化树脂液于50～70℃下真空抽排溶剂，然后升温固化，得到倍半硅氧烷改性的杂化酚醛树脂。4.根据权利要求3所述的倍半硅氧烷改性的杂化酚醛树脂的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的醇类溶剂为甲醇、乙醇或异丙醇。5.根据权利要求3或4所述的倍半硅氧烷改性的杂化酚醛树脂的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的倍...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯志海，师建军，孔磊，左小彪，余瑞莲，严蛟，
申请(专利权)人：航天材料及工艺研究所，中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11