[论文解读] 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 6

一句话总结

本研究通过溶胶-凝胶法使用N-γ-三乙氧基硅丙基-马来酰胺酸（TESPMA）或四丁氧基钛（TBT）作为前驱体，合成了含笼型倍半硅氧烷（SiO3/2）和二氧化钛（TiO2）纳米颗粒的新型双马来酰亚胺（BMI）树脂纳米复合材料。纳米-SiO3/2的引入显著提高了玻璃化转变温度（Tg）、热稳定性和高温模量，而TiO2则改善了低温模量但降低了热稳定性。

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.

研究动机与目标

• 开发具有改进热性能和机械性能的高性能双马来酰亚胺（BMI）树脂纳米复合材料。
• 研究纳米级笼型倍半硅氧烷（SiO3/2）和二氧化钛（TiO2）颗粒对BMI树脂热性能和热机械行为的影响。
• 探索以TESPMA和TBT为前驱体的溶胶-凝胶工艺，实现BMI基体中均匀分散的无机相原位生成。
• 评估所得纳米复合材料的形貌、热稳定性和机械性能。

提出的方法

• 采用合成的双马来酰亚胺（BMI）树脂预聚体（AP-BMI）作为纳米复合材料的基体。
• 使用N-γ-三乙氧基硅丙基-马来酰胺酸（TESPMA）作为溶胶-凝胶前驱体，原位生成纳米-SiO3/2颗粒。
• 利用四丁氧基钛（TBT）作为溶胶-凝胶前驱体，在BMI基体中实现原位生成纳米-TiO2颗粒。
• 在受控条件下进行溶胶-凝胶反应，以实现无机相在纳米尺度上的均匀分散。
• 采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）确认化学键合，采用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）分析形貌，采用热重分析（TGA）评估热稳定性，采用动态机械分析（DMA）测定热机械性能。
• 测量玻璃化转变温度（Tg）、耐热性以及不同温度下的储能模量，以评估性能提升效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 原位溶胶-凝胶法生成的纳米-SiO3/2颗粒如何影响BMI树脂的热性能和机械性能？
• RQ2 纳米-TiO2的引入对BMI基纳米复合材料的玻璃化转变温度（Tg）和热稳定性有何影响？
• RQ3 纳米-SiO3/2和TiO2颗粒在多大程度上提升了BMI树脂的高温模量？
• RQ4 颗粒尺寸和团聚现象如何影响所得纳米复合材料的形貌和性能？
• RQ5 TESPMA和TBT作为溶胶-凝胶前驱体在实现无机相在BMI基体中均匀分散方面发挥何种作用？

主要发现

• 纳米复合材料中分散的SiO3/2或TiO2相的平均原始颗粒尺寸小于100 nm，尽管存在较大的团聚体。
• 纳米-SiO3/2的引入显著提高了AP-BMI树脂的玻璃化转变温度（Tg），并改善了其高温模量。
• 添加纳米-SiO3/2显著增强了AP-BMI树脂的热阻抗，表明其在热应力下具有更高的稳定性。
• 纳米-TiO2颗粒提高了低温下的模量，但在高温下模量降低，表明其在热性能方面存在权衡。
• 添加TiO2虽提升了BMI树脂的Tg，但与纯树脂及含SiO3/2的复合材料相比，整体热阻抗有所下降。
• FT-IR和FE-SEM结果证实了无机相在BMI基体中成功实现原位生成与均匀分散，且显示出填料与基体之间存在化学相互作用的证据。