關於含矽芳炔樹脂的熱氧化降解動力學的研究論文
關於含矽芳炔樹脂的熱氧化降解動力學的研究論文
1 前言
含矽芳炔樹脂是一類主鏈由芳炔基鏈段和矽原子組成的有機無機雜化耐高溫熱固性樹脂，具有優異的工藝效能、耐熱效能和介電效能，在航天航空、電子資訊領域有廣泛的應用潛力。20 世紀90 年代中後期， Itoh 等合成了含矽氫基團的含矽芳炔樹脂( MSP) ，法國Buvat 等製備了苯乙炔封端的含矽芳炔樹脂( BLJ) ，嚴浩等合成了含甲基含矽芳炔樹脂，張玲玲等合成帶矽氫的含矽芳炔樹脂，高金淼等合成了帶乙烯基含矽芳炔樹脂，齊會民等研究了RTM 用含矽芳炔樹脂的流變特性與固化反應動力學，徐美玲等研究了含矽芳炔樹脂在惰性氣氛下的熱裂解行為，並用熱裂解-氣相色譜-質譜聯用技術分析了含矽芳炔樹脂熱分解產物。含矽芳炔樹脂為耐高溫樹脂，因此研究其在熱氧化條件下的熱穩定性及熱氧化降解特性，對於瞭解含矽芳炔樹脂基複合材料在實際應用條件下的效能變化有重要意義，但該方面的研究未曾有報道。
本文采用熱失重方法研究了含矽芳炔樹脂在空氣氣氛下的熱失重行為，並用Ozawa 和Kissinger 方法分析了含矽芳炔樹脂的熱氧化降解動力學，探討了含矽芳炔樹脂的熱氧化行為和抗熱氧化效能。
2 實驗部分
含矽芳炔樹脂PSA-R 為本課題組採用格氏試劑法以二氯矽烷、二乙炔基苯為主要原料合成的可RTM 成型的含矽芳炔樹脂，其分子量約為1200，室溫下為紅褐色粘稠液體，採用固化工藝為150℃ 2h+ 170℃ 2h + 210℃ 2h + 250℃ 4h 進行固化，固化物為深褐色堅硬固體。
含矽芳炔樹脂的熱氧化失重分析含矽芳炔樹脂固化物粉碎研磨成粉末，採用瑞士的METTLER TGASDTA 851 熱失重分析儀進行熱氧化失重分析，氣氛為空氣，流量為90ml min。升溫速率分別為5℃ min、10℃ min、20℃ min、40℃ min，溫度範圍為25℃ ～ 1000℃。
3 實驗結果與討論
3.1 含矽芳炔樹脂
含矽芳炔樹脂PSA-R 是由二氯矽烷與二乙炔基芳烴單體為原料，透過縮合聚合反應製備的主鏈含有矽元素的'芳基多炔結構的樹脂. 含矽芳炔樹脂在加熱情況下，可透過Diels-Alder 反應、環三聚反應、炔鍵加成反應和矽氫加成反應等交聯固化，形成含有稠芳環和共軛烯的高度交聯結構，具有優異的耐熱效能。
含矽芳炔樹脂固化物在高溫下的熱氧化降解包括如下過程，樹脂固化物受熱共軛烯結構的氧化、側基的氧化斷裂、交聯結構的氧化降解、以及無機矽元素的氧化及陶瓷化等。
3.2 聚合物熱氧化降解動力學模型
含矽芳炔樹脂固化物的熱氧化降解過程比較複雜，包括一系列的基元反應，如不飽和結構的氧化、側基的氧化斷裂、交聯結構氧化降解等。表述熱降解動力學模型的方法從本質上可以分為唯象模型( 宏觀水平) 和力學模型( 微觀水平) 兩種，其中唯象模型是半經驗模型，不涉及化學反應機理，被廣泛採用。
3. 3 含矽芳炔樹脂熱氧化降解的TGA 和DTG
含矽芳炔樹脂( PSA-R) 固化物在空氣氣氛中，升溫速率分別為5℃ min、10℃ min、20℃ min、40℃ min 的熱氧化失重( TGA) 曲線和熱氧化失重微分( DTG) 曲線。含矽芳炔樹脂具有優異的抗熱氧化效能，其熱氧化分解溫度( Td5，失重5時的溫度) 為438℃，在1000℃時的熱氧化殘留率為22。含矽芳炔樹脂的熱氧化降解過程與升溫速率有關，升溫速率越大失重起始溫度越高，但熱氧化殘留率基本不變。同時也可看到含矽芳炔樹脂在空氣下有一個明顯的氧化增重過程，之後是氧化降解過程。
3.4 含矽芳炔樹脂固化物熱氧化降解動力學分析
根據以上模擬分峰結果，對含矽芳炔樹脂固化物熱氧化降解過程分為三個階段進行動力學分析，建立含矽芳炔樹脂熱氧化降解的動力學模型。
3. 4. 1 含矽芳炔樹脂的熱氧化增重階段
( 1) Ozawa 法求熱氧化增重的表觀活化能用不同升溫速率的DTG 擬合分峰處理獲得的資料，計算不同升溫速率時，熱氧化增重階段的等轉化率時所對應的溫度，作等轉化率的logβ ～ 1 T 關係圖
( 2) Kissinger 法求熱氧化增重的表觀活化能用不同升溫速率的DTG 擬合分峰處理獲得的資料，獲得不同升溫速率時熱氧化增重階段的峰值溫度，作ln( β Tp2 ) ～ 1 Tp關係
3. 4. 2 含矽芳炔樹脂的熱氧化降解階段Ⅰ
用不同升溫速率的DTG 擬合分峰處理獲得的資料，作等轉化率的logβ ～ 1 T 圖，以及ln( β Tp2 ) ～ 1 Tp圖，求得含矽芳炔樹脂的熱氧化降解階段Ⅰ的反應表觀活化能分別為130. 8kJ mol ( Ozawa 法) 和93. 0kJ mol ( Kissinger法) 。可以求得熱氧化降解階段Ⅰ的反應頻率因子A 為1. 95 × 108，表觀反應級數n = 1. 23
4 結論
( 1) 用在氣氣氛下的熱失重方法研究了含矽芳炔樹脂的熱氧化降解行為，發現含矽芳炔樹脂的熱氧化失重過程分為三個階段，不飽和鍵的氧化增重階段、側基及脂肪鏈段的熱氧化斷裂階段、樹脂交聯結構及芳環結構的熱氧化降解階段，最終殘留產物為SiO2
( 2) 用多升溫速率熱重分析法研究了含矽芳炔樹脂的熱氧化降解反應動力學，採用Ozawa 法和Kissinger 法計算出熱氧化降解反應動力學引數，並建立了動力學模型，含矽芳炔樹脂的熱氧化降解動力學可用三階段n-級動力學模型，熱氧化降解近似於1 級反應。