【成果推荐】姜彦教授部分成果发布

   发布时间: 2019-10-31    访问次数: 20

耐高温不饱和聚酯树脂固化抗收缩剂的开发

(一)综合介绍

随着科学技术的快速发展,人们对材料的要求越来越高,而材料的复合化是提高材料综合性能的有效途径。复合材料种类繁多,如金属基复合材料,陶瓷基复合材料等等。其中有机/无机复合材料尤其玻璃纤维增强复合材料应用最为广泛。涉及汽车制造、建筑工程、农业、航空航天以及日常用品等诸多领域。

玻纤增强复合材料的聚合物基体较常见的是不饱和聚酯,可室温固化,常压成型,适合大型和现场制造玻璃钢制品;固化后树脂综合性能优良,耐腐蚀性强,介电性能良好,价格较低等优点。随着玻纤增强不饱和聚酯复合材料快速发展,与其它器件如电机等集成复合材料设备成为研究开发热点之一。目前已广泛应用于环境保护设备如集成式废气处理设备、酸碱防腐离心风机、玻璃钢冷却塔等等都是复合材料集成式设备。复合材料集成式设备具有明显的优点:便于整体设计,设备不同部分结合紧密,密闭性强,不会有气体、液体等渗出,性能可靠性强,便于生产及安装以及节省空间等等。在复合材料集成式设备生产过程中,除了整体设计、局部补强是生产设备的重要技术以外,不饱和聚酯树脂性能也会对其产生重要影响是其关键材料。但是不饱和聚酯树脂具有耐热性较差,固化时体积收缩率较大等缺点。因此可能会给设备带来较大负面影响,在复合材料固化过程中,收缩约为 5%~10%,使玻璃钢制品产生翘曲、尺寸精度严重下降、耐应力开裂性以及表面平滑性都下降。尤其体积收缩及翘曲造成尺寸上的较大偏差;造成电机等嵌入器件与复合材料间结合不紧密,或应力更加集中甚至开裂。当设备运行过程中这些尺寸误差带来的空隙会产生较大的噪音,密闭性降低,可能造成电机等的腐蚀给生产带来隐患,长期使用可靠性下降。此外电机等工作过程中会发热,过高的温度也将使复合材料的聚合物基体不饱和聚酯性能下降,从而影响到复合材料集成式设备的综合使用性能。目前不饱和聚酯树脂复合材料的低收缩性及耐热性研究是目前不饱和聚酯复合材料发展的重点研究内容。

针对这一问题采用耐热性组分的引入提高不饱和聚酯的热稳定性;柔性聚合物组分的引入改善不饱和聚酯树脂的固化收缩这一整体研究思路。利用聚氨酯和环氧树脂组成的互穿聚合物网络改性不饱和聚酯,互穿聚合物网络中环氧树脂可提高不饱和聚酯树脂的耐热性和机械强度;利用互穿聚合物网络中的聚氨酯较好的弹性可改善不饱和聚酯树脂的固化收缩性。以市售不饱和聚酯树脂为参照,对比研究所改性的不饱和聚酯树脂的力学性能、热性能等性能,以获得适用于复合材料集成式设备生产的功能性不饱和聚酯树脂这一关键性材料为目标。

添加的改性剂较为均匀地分散在不饱和聚酯树脂体系中,界面由于功能助剂与不饱和聚酯树脂间能形成化学键连相容性得到改善而变得较为模糊,保证材料的使用性能。

添加功能改性剂后不饱和聚酯树脂的耐热性得到提升,分解温度提高约20度左右。

     (二)创新要点

    1. 通过聚氨酯/环氧树脂互穿聚合物网络用于改善不饱和聚酯树脂耐热性和固化收缩性。互穿聚合物网络的刚性组分环氧树脂成分可提高不饱和聚酯树脂的拉伸强度和耐热性;而互穿聚合物网络中柔性链段可有效改善不饱和聚酯树脂的固化收缩性。同时互穿聚合物网络可通过异氰酸酯基团或不饱和双键等与不饱和聚酯形成化学键连可提高混合体系相容性;

2. 通过含硅聚合物改性不饱和聚酯树脂。此部分研究国内外未见相关报道。所引入的含硅聚合物可进一步提高不饱和聚酯的耐热性和固化收缩性。改性不饱和聚酯树脂的耐热性得到增强的同时又降低固化收缩。


(三)技术指标

所制备的材料与不饱和聚酯具有较好的相容性,其主要成分为含硅材料、环氧材料等;

疏水性,接触角可达70度以上;

与不饱和聚酯树脂相比添加功能助剂后体系固化收缩率下降2%-4%;

耐热性提高20度左右。


复合光学膜片用多功能聚合物材料的研发

 (一)综合介绍

随着科学发展,技术进步,人们生活水平的不断提高以及能源供应的紧张,使得节能环保越来越受到重视。温室暖房、太阳能热水器、太阳能光电技术以及阳光型建筑和装修等是充分利用光能的实际应用领域。但是很多工业聚合物材料如有机玻璃、聚酯薄膜等材料光学性能达不到要求,其表面存在较强的反射、折射等现象,不仅影响光的通光能量,而且这些反射光还会形成杂散光、眩光造成光污染。为了解决这些问题,并进一步提高光电或光能转化效率,通常在光学材料的表面涂覆一定厚度的单层或多层涂层即光学增透膜。

光学薄膜目前已经发展成为一门独立的技术,成为衡量一个国家光电信息等高新技术产业科技发展水平的关键技术之一。光学薄膜种类较多,主要包括反光膜、增透膜、偏光膜、扩散膜等。其中增透膜是应用范围最广、产量最大的光学膜系之一,应用范围涉及太阳能电池组件、液晶显示、军工等等。

有机/无机杂化材料是一种分散均匀的多相材料,有机相与无机相间的界面面积非常大、界面相互作用强,使常见清晰的界面变得模糊,其中至少有一相的尺寸至少有一个维度在纳米数量级,在有些情况下甚至达到“分子复合”的水平。因此,与单一的有机或无机聚合物相比,有机无机杂化材料在光学透明性、可调折射率等方面具有明显性能优势。

此外,在有机/无机杂化材料形成过程中还可形成纳米级别孔隙,这些孔隙中的空气的折射率较低为1.0,此外光波可以在这些纳米孔隙中穿过,减少漫反射而进一步降低有效折射率达到提高光学增透目的。聚合物杂化及纳米孔隙薄膜技术在90年代后期逐渐兴起。由于其战略地位的重要性各国都投入了大量的研究。

研究采用核壳结构的含氟和硅元素的乳液聚合物。并在聚合过程中通过形成有机/无机杂化交联结构,使得在聚合过程中氟和硅元素富集在乳胶粒子表面,因此聚合物乳胶粒子具有表面张力自动收缩,屏蔽外界水及油等分子的入侵。从而赋予聚合物具有自清洁、抗菌等性能。此外所合成的材料中含有有机/无机杂化结构能赋予其优良的光学性能。

乳液聚合物粒子的尺寸关系到其涂层粒子堆砌形貌以及孔隙尺寸影响到光的衍射进而决定材料的光学性能。因此单分散乳液聚合物粒子的制备是本研究的关键。

聚酯薄膜透光率为87%左右,涂敷增透聚合物后透光率可提高到93%以上,适合应用于液晶显示器、太阳能电池等。

光滑的聚酯薄膜表面涂敷增透聚合物后,在聚酯薄膜表面堆砌的聚合物小球可形成纳米孔洞,利用光衍射现象提高聚酯薄膜的光学增透性。


(二)创新要点

(1)通过有机硅单体在聚合的同时发生水解反应,形成有机/无机杂化结构制备乳液聚合物的研究未见报道。有机/无机杂化结构的建立使得乳液聚合物的核不易被单体溶胀,形成尺寸均一的乳液聚合物纳米粒子,赋予材料功能性

(2)通过乳液聚合物核部分形成交联结构以及调整刚性单体比例提高其玻璃化转变温度使得壳部分的氟元素及硅元素在乳液粒子表面富集从而提高其功能性;

(3)利用乳液聚合物制备具有光学增透性能的材料未见报道,本项目为制备新型功能性光学材料提供思路和实验数据。


(三)技术指标

所制备的材料具有无机/有机杂化结构,其主要成分为含硅材料、丙烯酸树脂材料等;

疏水性,接触角可达80度以上;

与聚酯薄膜相比涂敷功能助剂后体系光学透过率上升5%左右。



增强山梨酸抑菌技术的研发

(一)综合介绍

 随着科学技术的快速发展,人们对生活品质要求越来越高,越来越重视环境保护、身体保健,尤其更关注食品安全、卫生安全等。进而与之息息相关的功能性、高效性抑菌材料就成为生产及学术界的研究与开发热点。

山梨酸钾是高效安全的防腐保鲜剂,具有一定的抑菌作用,广泛应用于食品、饮料、烟草、农药、化妆品等行业,作为不饱和酸,也可用于树脂、香料和橡胶工业。是目前食品加工中常用的防腐保鲜和抑菌剂。

山梨酸是一种不饱和脂肪酸,英文名为Sorbicacid,又名2,4-已二烯酸、2-丙烯基丙烯酸。与其他天然的脂肪酸一样,山梨酸在人体内参与新陈代谢过程,并被人体消化和吸收,产生二氧化碳和水。山梨酸是一种国际公认安全(GRAS)的防腐剂,安全性很高。联合国粮农组织、世界卫生组织、美国FDA都对其安全性给予了肯定,是国际粮农组织和卫生组织推荐的具有抑菌作用的保鲜剂。

山梨酸能有效地抑制霉菌,酵母菌和好氧性细菌的活性,还能防止肉毒杆菌、葡萄球菌、沙门氏菌等有害微生物的生长和繁殖,其抑止发育的作用比杀菌作用更强,对厌氧性芽孢菌与嗜酸乳杆菌等有益微生物几乎没有影响,因此其安全性很高和适应性很广。但由于其结构特点,使其暴露在潮湿的空气中极其容易吸水,氧化而变色。此外随着温度的提高和加热时间的延长,山梨酸的防霉效果和稳定性能均下降而使其应用受到限制。因此开发新型高效山梨酸抑菌材料进而扩大山梨酸应用范围是当前抑菌材料研究热点之一。

1. β-环糊精衍生物的合成。以食品工业常用的β-环糊精为原料,分别与顺丁烯二酸酐(马来酸酐)、丙烯酰氯发生酯化反应制备部分顺丁烯二酸酐酯化β-环糊精衍生物和环糊精丙烯酸酯衍生物。研究反应温度、反应时间等条件对产物的影响。

2. β-环糊精共聚物的制备。以合成的功能化β-糊精衍生物为功能单体与苯乙烯、甲基丙烯酸酯类单体进行自由基共聚合制备β-环糊精共聚物。改变β-环糊精衍生物与苯乙烯、甲基丙烯酸酯类单体的比例制备系列β-环糊精共聚物。研究反应温度、引发剂种类对聚合反应的影响;考察不同含量β-环糊精的功能共聚物的物理性能,重点研究其耐热性和力学性能。

3.  β-环糊精共聚物与山梨酸钾包结物的制备。采用系列β-环糊精共聚物为基体聚合物与山梨酸钾形成包结物,制备系列β-环糊精共聚物包结山梨酸钾抑菌性材料。考察包结反应温度、包结反应时间等条件对抑菌性材料的组成、结构及性能影响。

4.  β-环糊精共聚物包结山梨酸钾抑菌性材料的性能研究。主要考察β-环糊精共聚物包结山梨酸钾抑菌性材料的热稳定性、力学性能和表面性能。重点考察β-环糊精共聚物包结山梨酸抑菌性材料的缓释性以及抑菌性。

5. 研究β-环糊精共聚物包结山梨酸钾抑菌性材料在聚苯乙烯中的应用。以β-环糊精共聚物包结山梨酸钾抑菌性材料为添加剂加入到树脂中。考察功能性抑菌材料的用量对树脂性能的影响。主要考察复合树脂的综合性能重点考察抑菌性能。

添加的改性剂后聚苯乙烯等聚合物材料的抗细菌黏附性能得到明显提升,并且具有一定得缓释作用和无毒副作用。

所合成的功能型助剂具有较好的热稳定性,在聚合物加工温度下未分解,保证其使用的功能性。


(二)创新要点

1. 通过β-环糊精分别与顺丁烯二酸酐和丙烯酰氯发生酯化反应制备环糊精衍生物,在环糊精基体上引入可聚合的不饱和双键,可与苯乙烯等发生自由基共聚合反应。此外酯化发生后将顺丁烯二酸酐及丙烯酰氧基团固定在环糊精外腔,残余的羧基等可以与被包结物山梨酸钾形成氢键作用提高包结效率。   

2. 通过部分顺丁烯二酸酐酯化β-环糊精等功能单体与苯乙烯等单体进行自由基共聚合,制备环糊精共聚物。通过调节单体种类及用量可以合成出含有聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯等成分的环糊精共聚物。可自身加工成型,也可以作为功能添加剂加入到常规聚苯乙烯及丙烯酸树脂当中。

3. 利用β-环糊精共聚物为基体与山梨酸钾形成包结物的研究还未见报道,制备的β-环糊精共聚物包结山梨酸钾抑菌材料可以提高山梨酸钾的抑菌性;β-环糊精所具有的缓释作用使其长期使用性得到保障。


 (三)技术指标

 使包结山梨酸钾环糊精共聚物的树脂具有良好的抑菌性,与单纯聚苯乙烯树脂相比,添加7%功能助剂的聚苯乙烯树脂,酵母菌粘附量下降了约70.1%,抑菌性明显提高;包结山梨酸钾环糊精共聚物热分解温度为250度以上满足聚苯乙烯等树脂加工要求。