四川大学邹华维教授团队 CEJ：基于计算辅助设计制备获得高性能自固化环氧树脂

2023-07-01 来源：高分子科技

环氧树脂因其优良的综合性能广泛用于电子包装以及涂料、粘合剂和复合材料基体。随着电子电器、新能源汽车、航空航天飞行器等领域的不断发展，开发兼具阻燃性和良好机械性能的环氧树脂基体具有重大意义。基于科学直觉和反复试验的传统设计策略受到高成本和耗时的合成过程的约束。事实上，聚合物的可燃性与聚合物链的化学结构有着密切的关系，通过摩尔基团贡献（MGC）方法可以指导本征阻燃环氧树脂的分子结构设计。除此之外，基于计算、实验和数据库搜索的材料基因组方法已被开发用于发现先进材料。然而，如何高效设计易于合成的本征阻燃高性能环氧树脂仍是一个巨大的挑战。

近期，四川大学高分子研究所邹华维教授、陈洋副研究员采用高通量筛选并结合密度泛函理论（DFT）计算（图1），通过向短链不对称结构中引入助阻燃“基因”，成功合成了两种高性能环氧树脂mABAEP和SAAEP（图2）。该树脂只需加热即可实现“自固化”，大大优化了加工工艺，“自固化”后得到的树脂分别命名为mABASC和SAASC。微型燃烧，垂直燃烧，极限氧指数，锥形燃烧等测试表明助阻燃“基因”的引入赋予了两种新型环氧树脂良好的本征阻燃性（图3）。值得注意的是，弯曲测试结果表明，相比于双酚A型环氧树脂/4,4`-二氨基二苯基甲烷（E51/DDM），SAASC具有更高的弯曲模量和弯曲强度（5155MPa，125.7 MPa），分别提升101%和21%（图4），这与体系中丰富的极性基团有关。除此之外，SAASC具有较高的玻璃化温度（217℃）与残炭率（45.0%），以及良好的抗菌性能，可应用于各种极端复杂的环境。该工作以“Material genome approach-based design of multi-functional self-curing epoxy resin with intrinsic flame retardancy and ultra-high modulus”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上（CHEM. ENG. J., 2023, 470, 144077）。文章第一作者是四川大学2022级博士研究生何俊良。

图1 潜在树脂结构的筛选途径

图2 自固化环氧树脂合成路线

图3 自固化环氧树脂与E51/DDM阻燃性对比

图4 自固化环氧树脂与E51/DDM力学性能与热机械性能对比

该工作是团队近期关于高性能环氧树脂分子结构设计与交联网络调控研究的最新进展之一。环氧树脂的交联网络拓扑结构影响其宏观力学性能（如强度、模量以及韧性），开展环氧树脂分子结构与性能构效关系及交联结构调控机理研究具有重要意义。在过去的两年中，团队利用“悬挂链效应”可引起交联网络拓扑变换的原理制备了高性能可变形环氧树脂（Macromolecules 2021, 54, 18），基于分子力学设计并合成了一系列氢键网络增强的高性能环氧树脂并研究了树脂基体模量对复合材料压缩强度的影响（COMPOS. SCI. TECHNOL., 2023, 229, 109678;），除此之外，通过二维相关红外、低场核磁、正电子湮没技术以及分子动力学模拟等方法系统研究了氢键网络对自由体积的影响及其提升树脂基体模量的机理（COMPOS. SCI. TECHNOL., 2023, 229, 109815）。在这些分子结构的基础上，设计并合成含有酰胺键的自固化环氧树脂，增加氢键种类和数量，从而构筑了更强的氢键网络，获得了更高模量的高性能环氧树脂（PROG. ORG. COAT., 2023, 183, 107725）。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144077

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（责任编辑：xu）

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