[論文レビュー] Novel Bismaleimide Resin/Silsesquioxane and Titania Nanocomposites by the Sol-Gel Process: the Preparation, Morphology, Thermal and Thermo-mechanical Properties

Guotao Lu, Ying Huang|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2013

Silicone and Siloxane Chemistry被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、N-γ-トリエトキシシルプロピルマレイアミック酸（TESPMA）またはテトラブチルチタネート（TBT）を前駆体として用い、Sol-Gel法により合成されたポリヒドロキシシルセスキオキサン（SiO3/2）およびジルコニア（TiO2）ナノ粒子を用いて、新規のビスマレイン化イミド（BMI）レジンナノコンポジットを開発した。ナノ-SiO3/2の添加はガラス転移温度（Tg）、熱安定性、高温における弾性率を顕著に向上させたが、TiO2の添加は低温における弾性率を向上させた一方で、熱抵抗性を低下させた。

ABSTRACT

Bismaleimide(BMI) resin/silsesquioxane or titania nanocomposites were synthesized from bismaleimide resin and SiO3/2 or TiO2 via the sol-gel process of N-γ-triethoxylsilylpropyl-maleamic acid (TESPMA) or tetrabutyltitanate (Ti(OnBu)4, TBT), respectively, in the presence of the AP-BMI prepolymers. These nanocomposite materials were characterized by FT-IR, FE-SEM, TGA and DMA. It was found that the nano-scale SiO3/2 or TiO2 particles were formed in the AP-BMI resin matrix and the average original particle size of the dispersed phase in the nanocomposites was less than 100nm, but the particle aggregates with bigger size existed. Obvious improvements of Tg and the heat resistance of the AP-BMI resin were achieved by introduction of the nano-sized SiO3/2 inorganic phase, and the modulus at high temperatures was improved too. The incorporation of nano-scale TiO2 particles into the AP-BMI resin improved the Tg of the polymer, but lowered the thermal resistance of the material, and improved the modulus of the material at lower temperatures, but lowered the modulus at higher temperatures.

研究の動機と目的

• 熱的および機械的特性が向上した高機能性ビスマレイン化イミド（BMI）レジンナノコンポジットの開発を目的とする。
• ナノサイズのポリヒドロキシシルセスキオキサン（SiO3/2）およびジルコニア（TiO2）粒子がBMIレジンの熱的および熱機械的挙動に与える影響を調査することを目的とする。
• TESPMAおよびTBTを前駆体として用いるSol-Gel法による、BMIマトリックス内での均一分散な無機相のイン・サイト生成を検討することを目的とする。
• 得られたナノコンポジットの形態、熱安定性、機械的特性を評価することを目的とする。

提案手法

• ナノコンポジット形成のマトリックスとして、合成されたビスマレイン化イミド（BMI）レジンプリポリマー（AP-BMI）を用いた。
• イン・サイト生成によるナノ-SiO3/2粒子の生成に、N-γ-トリエトキシシルプロピルマレイアミック酸（TESPMA）をSol-Gel前駆体として採用した。
• BMIマトリックス内でのイン・サイト生成によるナノ-TiO2粒子の生成に、テトラブチルチタネート（TBT）をSol-Gel前駆体として用いた。
• ナノスケールでの無機相の均一分散を達成するため、制御された条件下でSol-Gel反応を実施した。
• FT-IRを用いて化学結合の確認、FE-SEMを用いて形態の評価、TGAを用いて熱安定性の評価、DMAを用いて熱機械的特性の評価を実施した。
• 性能向上の評価のために、ガラス転移温度（Tg）、耐熱性、およびさまざまな温度における保存弾性率を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イン・サイトでのSol-Gel法によるナノ-SiO3/2粒子の生成が、BMIレジンの熱的および機械的特性に与える影響は何か？
• RQ2 ナノ-TiO2の添加が、BMIベースナノコンポジットのガラス転移温度（Tg）および熱安定性に与える影響は何か？
• RQ3 ナノ-SiO3/2およびTiO2粒子は、BMIレジンの高温弾性率をどの程度向上させるか？
• RQ4 粒子サイズおよび凝集体の有無が、得られたナノコンポジットの形態および性能に与える影響は何か？
• RQ5 TESPMAおよびTBTが、BMIマトリックス内での無機相の均一分散を達成するために果たす役割は何か？

主な発見

• ナノコンポジット中の分散されたSiO3/2またはTiO2相の平均粒子径は100 nm未満であったが、より大きな凝集体も存在した。
• ナノ-SiO3/2の添加は、ガラス転移温度（Tg）を顕著に上昇させ、AP-BMIレジンの高温弾性率を向上させた。
• AP-BMIレジンの熱抵抗性は、ナノ-SiO3/2の添加により顕著に向上し、熱的ストレス下での安定性が向上したことを示した。
• ナノ-TiO2粒子の添加は低温における弾性率を向上させたが、高温における弾性率を低下させたため、熱的性能にトレードオフが生じた。
• TiO2の添加はBMIレジンのTgを向上させたが、純粋レジンおよびSiO3/2含有コンポジットと比較して、全体の熱抵抗性は低下した。
• FT-IRおよびFE-SEMの結果、BMIマトリックス内でのナノ無機相のイン・サイト生成および分散が成功しており、フィラーとマトリックスとの間に化学的相互作用の証拠が得られた。