有機硅改性硼酚醛樹脂的研制

郭安儒，李　杰，劉　暢，肖德海

（1.航天材料及工藝研究所，北京100076；2.中國科學院長春應用化學研究所，長春130022）

有機硅改性硼酚醛樹脂的研制

郭安儒1，李杰1，劉暢2，肖德海2

（1.航天材料及工藝研究所，北京100076；2.中國科學院長春應用化學研究所，長春130022）

通過Williamson醚合成、Claisen重排及硅氫化反應得到鄰羥基苯丙基硅油（Si?phenol），將其與苯酚混合，采用硼酸酯法合成有機硅改性硼酚醛樹脂（SBPF）.利用1H NMR和FTIR技術對其結構進行分析，采用熱重分析（TGA）、剪切測試、拉伸測試以及沖擊測試等手段對其耐熱能和力學性能進行表征.考察了Si?phenol的含量對樹脂各項性能的影響，并研究其作用機理.結果表明，合成的有機硅改性硼酚醛樹脂具有良好的耐熱性，適量硅氧烷鏈段的引入可以改善樹脂的黏接性能，提高其力學強度.

酚醛樹脂；硅改性；硼酸；耐熱性；力學性能

酚醛樹脂（PF）是最早合成的樹脂，其具有原料易得、合成方便、工藝性、熱性能及電絕緣性能優良等特點，在電子、防火涂料、耐火材料、航空航天飛行器及先進復合材料等領域得到了廣泛應用［1，2］.隨著工業技術的不斷進步，傳統的酚醛樹脂由于分子結構上的酚羥基和亞甲基容易氧化，使其耐熱性較差，脆性大，很大程度上限制了其在高性能材料中的應用.

為改善酚醛樹脂的阻燃性和耐熱性，硼、磷和硅等無機元素被引入到酚醛樹脂的結構中［2～5］.其中，最成功的改性品種之一是硼酚醛樹脂（BPF）［5～7］，其可通過自交聯形成含有硼的三維交聯網狀結構，從而展現出高氧指數、低毒、低煙和低發熱量等性能，以及優異的抗氧化能力和耐熱性能，并且在熱解時不會釋放出有毒氣體，但是其缺點是脆性較大，力學性能有待進一步改善.

本文從分子結構設計出發，利用苯酚和3?溴丙烯的Williamson醚合成反應以及Claisen重排反應制得了烯丙基苯酚，并通過硅氫化反應合成鄰羥基苯丙基硅油（Si?phenol），將其與一定比例的苯酚混合，采用硼酸酯法合成有機硅改性硼酚醛樹脂（SBPF），在保證一定殘碳率的條件下，提高了樹脂的柔韌性和黏接性能，同時降低了其脆性.

1 實驗部分

1．1 試劑與儀器

苯酚（Phennol，分析純），硼酸（Boron，分析純），多聚甲醛（POM，分析純），鄰二氯苯（純度98％），上海麥克林生化科技有限公司；碳酸鉀（K2CO3，分析純），丙酮（分析純），乙酸乙酯（分析純），甲苯（分析純），北京化工廠；六水合氯鉑酸（H2PtCl6·6H2O，純度99.9％）和3?溴丙烯（純度98％），薩恩化學技術（上海）有限公司；含氫硅氧烷（含氫量0.8％，黏度20～50 mPa·s），上海硅友新材料科技有限公司；酚醛樹脂（PF，工業級），伯馬風帆實業有限公司.

VERTEX 70型傅里葉變換紅外光譜儀（布魯克科技有限公司）；AVANCEⅢ300兆核磁共振波譜儀［鉑悅儀器（上海）有限公司］；Diamond TG／DTA熱重?差熱綜合熱分析儀（珀金埃爾默股份有限公司）；INSTRON?1121型材料試驗機（美國英斯特朗公司）；JJ?20型計算機控制記憶沖擊試驗機（長春市智能儀器設備有限公司）；SX?2.5?10箱式電阻爐（北京科偉永興儀器有限公司）.

1.2 實驗過程

化合物Si?phenol（5）的合成路線如Scheme 1所示.

Scheme 1 Synthetic route of Si?phenol（5）

1.2.1 苯基烯丙基醚（2）的合成 在配有冷凝管、溫度計、膠塞和攪拌子的三口燒瓶中加入丙酮及一定量的苯酚和K2CO3，同時在N2氣保護下，攪拌升溫至40℃，緩慢滴加3?溴丙烯，滴加完畢后將體系升溫至80℃，在回流狀態下保持12 h后過濾，將濾液減壓蒸餾除去溶劑，將殘余物用乙醚和水分液，干燥并過濾有機相，減壓除去溶劑從而得到產物.

1.2.2 2?烯丙基苯酚（3）的合成 在配有冷凝管、溫度計、膠塞及攪拌子的三口燒瓶中將生成的苯基烯丙基醚溶于鄰二氯苯中，在N2氣保護下，將體系緩慢升溫至180℃，在回流狀態下保持24 h后減壓蒸餾除去溶劑，將殘余物通過柱層析（石油醚∶乙酸乙酯體積比為4∶1）得到產物2?烯丙基苯酚（產率為72％）.

1.2.3 鄰羥基苯丙基硅油（Si?phenol，5）的制備 在配有冷凝管、溫度計、膠塞及攪拌子的三口燒瓶中加入甲苯，在攪拌條件下加入烯丙基苯酚，然后加入含氫硅氧烷，最后加入H2PtCl6·6H2O.在N2氣保護下，將體系緩慢升溫至100℃，在回流狀態下保持36 h后減壓除去溶劑即得到產物鄰羥基苯丙基硅油.

1.2.4 有機硅改性硼酚醛樹脂（SBPF）的合成 將250 mL三口燒瓶于80℃下預熱，將一定量融化后的苯酚與Si?phenol按一定比例混合，加入三口燒瓶中，并放入攪拌子.將三口燒瓶固定在80℃預熱的恒溫攪拌油浴鍋內，插好溫度計、冷凝管和膠塞，開始攪拌.稱一定量的硼酸倒入三口燒瓶內，開始升溫，當溫度到達預定值時開始計時.反應一定時間后，減壓蒸餾30 min后停止蒸餾，緩慢降溫至70℃.加入一定量的多聚甲醛，緩慢升溫至預定溫度，待多聚甲醛完全溶解，減壓蒸餾.待蒸餾出一定量液體后，停止蒸餾，將產品置于60℃真空干燥箱內，干燥24 h.本文共合成了7種配比的改性樹脂，具體配方如表1所示.

Table1 Reaction ratio of SBPF with different Si?phenol contents?

1.3 測試與表征

1.3.1 紅外測試 采用VERTEX 70型傅里葉變換紅外光譜儀測試紅外光譜，掃描范圍4000～400 cm－1，KBr研磨壓片制樣.

1.3.2 核磁測試 采用AVANCEⅢ300 MHz共振波譜儀，溶劑為CDCl3.

1.3.3 殘碳率測試 將樹脂試樣（mo，g）置于坩堝中，在800℃的箱式電阻爐中加熱30 min后自然冷卻至室溫，稱重計為md（g），殘碳率為md／mo×100％，平行樣測試3次.

1.3.4 熱失重分析 采用Diamond TG／DTA熱重?差熱綜合熱分析儀測試樹脂的熱失重曲線，測試條件：N2氣氣氛，升溫速率10℃／min，氣流速度20.00 mL／min，測試溫度為室溫至1000℃.

1.3.5 剪切測試 采用鋁片作為黏接物，鋁片尺寸：100 mm×25 mm×2 mm，膠黏劑搭接長度12.5 mm.固化條件：150℃固化2 h，180℃固化2 h.采用INSTRON?1121型材料試驗機進行測試，平行樣測試5次.

1.3.6 拉伸測試 采用30～60目軟木粒作為黏接物，木粒與樹脂共混（質量比為80∶20），固化條件為：150℃固化2 h，180℃固化2 h，固化成型后裁條進行測試，樣條尺寸100 mm×10 mm×2 mm.采用INSTRON?1121型材料試驗機進行測試，拉伸速率10 mm／min，平行樣測試3次.

1.3.7 沖擊測試 軟木樣條制備方法同拉伸測試方法，樣條尺寸80 mm×10 mm×2 mm.采用JJ?20型計算機控制記憶沖擊試驗機進行測試，平行樣測試3次.

2 結果與討論

2．1 鄰羥基苯丙基硅油的合成及1H NMR表征

鄰羥基苯丙基硅油（5）的合成：從苯酚出發，首先通過烯丙基化反應合成了烯丙基苯基醚化合物2，再通過在甲苯中加熱發生Claisen重排得到化合物3，化合物3在氯鉑酸催化下與含氫硅氧烷發生硅氫化反應得到鄰羥基苯丙基硅油5.整體反應操作簡單，原料經濟易得，且易于進行大量的合成和工業化生產.

1H NMR表征數據如下.化合物2：1H NMR（300 MHz，CDCl3），δ：7.32（t，J＝7.9 Hz，2H），6.98（t，J＝9.7 Hz，3H），6.11（ddd，J＝22.3，10.5，5.3 Hz，1H），5.39（dd，J＝39.3，13.9 Hz，2H），4.58（d，J＝5.2 Hz，2H）.13C NMR（75 MHz，CDCl3）δ：158.61，133.39，129.47，120.86，117.64，114.75，68.72.

化合物3：1H NMR（300 MHz，CDCl3），δ：7.17（t，J＝7.3 Hz，2H），6.93（t，J＝7.4 Hz，1H），6.85（d，J＝8.0 Hz，1H），6.16～5.99（m，1H），5.22（dd，J＝3.9，1.6 Hz，2H），5.17（s，1H），3.46（d，J＝6.3 Hz，2H）.13C NMR（75 MHz，CDCl3）δ：158.61，133.39，129.47，120.86，117.64，114.75，68.72.

化合物5：1H NMR（300 MHz，CDCl3），δ：7.18～6.98（m，2H），6.94～6.65（m，2H），2.68～2.38（m，2H），1.76～1.50（m，2H），0.71～0.18（m，2H），0.06（s，9H）.

2.2 紅外光譜

圖1為Si?phenol（5）的紅外光譜，在3440 cm－1處的吸收峰為酚羥基O—H鍵的伸縮振動峰，3030和2960 cm－1處的吸收峰為C—H鍵的伸縮振動峰，1591和1491 cm－1處的吸收峰為苯環骨架振動峰，1455 cm－1處的吸收峰為苯環與烯丙基之間C—C鍵的特征峰，1265 cm－1處的吸收峰為Si—C的彎曲振動峰，1175 cm－1處的吸收峰為苯環與酚羥基之間C—O鍵的伸縮振動峰，1090和1030 cm－1處的吸收峰為Si—O—Si鍵的伸縮振動峰，804 cm－1處的吸收峰為Si—C鍵的伸縮振動峰，754 cm－1處的吸收峰為苯環上鄰二取代的特征峰.此外，1640 cm－1處鍵的伸縮振動峰消失，而且在2250～2090 cm－1范圍內并未出現Si—H鍵的伸縮振動峰，說明烯丙基苯酚通過硅氫化已接枝在硅鏈上，并且反應完全.

將BPF與SBPF的紅外譜圖（圖2）進行對比可以發現，BPF和SBPF分別在3318和3400 cm－1處出現了羥基O—H鍵的伸縮振動峰；BPF在1600和1500 cm－1處出現苯環骨架特征峰，SBPF在1594和1495 cm－1處出現苯環骨架特征峰；BPF和SBPF分別在1210和1215 cm－1處出現了酚羥基C—O鍵的特征峰；在1385和1383 cm－1處出現了B—O鍵的特征峰；在755和754 cm－1處出現鄰位取代基的特征峰.BPF與SBPF的吸收峰位置基本一致，但在1090和1030 cm－1處，SBPF圖譜出現了一個寬強度吸收峰，而在BPF的紅外圖譜中并未出現此寬強度吸收峰，判斷此峰為Si—O—Si鍵的特征峰，與BPF圖譜中1095 cm－1處的芐羥基C—O鍵的弱吸收峰不同，說明Si—O—Si鍵已被引入到了硼酚醛樹脂中.此外，在SBPF譜圖中806 cm－1處的吸收峰也與BPF紅外譜圖不同，此峰為Si—C鍵的特征峰，從而進一步證實硅氧烷鏈已被引入到硼酚醛樹脂中.

Fig．1 IR spectrum of Si?phenol（5）

Fig．2 IR spectra of BPF（a）and SBPF（b）

2.3 熱性能

圖3為PF，BPF和SBPF的TGA曲線，SBPF的TGA曲線表明，樹脂質量在150～250℃這一階段有明顯的降低，開始釋放游離水、酚和醛，同時發生分子間的縮合交聯，形成亞甲基橋和醚鍵，并釋放出縮合水；當溫度高于300℃時，進入熱解與熱解產物的聚合階段，失重較少；當溫度達到550℃以上時，失重顯著，發生熱分解和炭化，并釋放出水、二氧化碳、酚及苯類［8］.此外，在樹脂中引入的硅氧烷鏈段在高溫下也會發生熱解聚和熱氧化降解，生成小分子的環硅氧烷以及甲醛等小分子物質，從而加速樹脂質量的降低.

在相同測試條件下，在1000℃時，BPF的殘碳率為78.5％，SBPF的殘碳率為63.6％，而PF的殘碳率僅為40.2％.TGA結果說明，硅氧烷鏈對提高樹脂的耐熱性貢獻不大，反而會降低其在高溫條件下的耐熱性能，一方面原因在于，Si—O鍵鍵能為472.5 kJ／mol［9］，C—C鍵鍵能為334.72 kJ／mol［10］，而B—O鍵鍵能為774.04 kJ／mol，要遠大于Si—O鍵鍵能.另一方面，在樹脂中引入的硅氧烷鏈段在高溫下發生熱解聚和熱氧化降解，從而降低樹脂高溫殘碳率，同時硅氧烷鏈段的存在可能會阻礙樹脂固化時立體網狀結構的形成，降低了交聯密度.

Fig．3 TGA curves of SBPF（a），BPF（b）and PF（c）

Fig．4 Char yield of SBPF with different Si?phenol contents at 800℃

2.4 硅氧烷改性苯酚含量對樹脂殘碳率的影響

本文考察了Si?phenol含量對樹脂高溫殘碳率的影響.將樣品置于800℃箱式電阻爐中燒蝕30 min后，其殘碳率的變化如圖4所示.在未引入Si?phenol時，樹脂的殘碳率為79.5％，結構沒有發生分解，樹脂本身展現出良好的耐熱性.隨著Si?phenol含量的增加，樹脂的殘碳率逐漸降低（表2），當Si?phenol含量為10％時（Si?phenol?10），樹脂的殘碳率是65.2％；當Si?phenol含量為30％時（Si?phenol?30），樹脂的殘碳率明顯下降，僅為33.7％，低于PF（43.8％）.隨著Si?phenol用量的加入，樹脂結構中引入的柔性鏈段比例增加，樹脂固化交聯的位阻增加，交聯密度降低；同時，Si?phenol的用量越多，硅氧烷鏈段在高溫下發生的熱解聚和熱氧化降解越明顯，殘碳率越低.因此，樹脂的耐高溫性能隨Si?phenol用量的提高而下降.當Si?phenol的含量達到30％時，樹脂發生分相，不再具有耐熱性能.

Table 2 Char yields and mechanical properties of SBPF with different Si?phenol contentsa

2.5 力學性能

對不同Si?phenol含量SBPF的各項力學性能（包括剪切強度，拉伸強度以及沖擊強度）進行測試，結果見表2.

圖5示出了不同Si?phenol含量的SBPF在室溫（r.t.）和200℃時的剪切強度變化曲線.可見，在室溫條件下，隨著Si?phenol含量的提高，樹脂的黏接性能變化不大.一方面是由于硅氧烷鏈的引入降低了樹脂的交聯密度［11］；另一方面，硼元素的引入可以有效地改善樹脂的黏接性能.此外，硅氧烷鏈會使樹脂的表面能下降，在一定程度上提高樹脂對黏接材料的浸潤能力，改善樹脂與黏接材料之間的界面性能，提高材料的力學強度，但相應的作用機理和改善效果仍在探討中.在上述多種因素的共同作用下，樹脂的剪切強度變化不大，直至Si?phenol的含量大于25％時，結構發生分相，樹脂的剪切強度顯著下降.

Fig．5 Shear strengths of SBPF with different Si?phenol contents at room temperature（a）and 200℃（b）

在200℃下測試樹脂的剪切強度發現，SBPF的剪切強度隨著Si?phenol含量的提高明顯下降，說明硅氧烷鏈對樹脂浸潤能力的改善無法彌補樹脂在高溫條件下耐熱性的驟降，這一結果與殘碳率的測試結果一致.

將SBPF與30～60目的軟木粒子按照一定比例混合，制備軟木樣條進行沖擊和拉伸測試，進而評價硅改性硼酚醛樹脂的力學強度和柔韌性.圖6（A）為SBPF的沖擊強度隨Si?phenol含量增加的變化曲線，可見SBPF的沖擊強度遠高于BPF和PF，其中含Si?phenol?10的樹脂的沖擊強度達到0.81 kJ／m2，而未引入硅氧烷鏈的BPF和PF沖擊強度均低于0.1 kJ／m2.這主要是因為引入的硅氧烷鏈中含有的Si—O鍵鍵長較長，且Si—O鍵具有獨特的固有構象柔順性［12］，因而樹脂的柔韌性得到改善.此外，當Si?phenol含量超過15％時，樹脂的沖擊強度逐漸降低，此時硅氧烷鏈段對樹脂交聯結構的阻礙作用更顯著.

Fig．6 Impact strengths（A）and tensile strengths（B）of SBPF with different Si?phenol contents

圖6（B）為SBPF的拉伸強度隨Si?phenol含量增加的變化曲線.可見隨著Si?phenol含量的增加，樹脂的拉伸強度呈“先上升?后下降”的趨勢，在含量為10％時出現最大值.這是由于當Si?phenol含量較低時，硼元素對黏接性能的改善作用以及硅氧烷鏈段對樹脂界面性能的改善作用占主導，樹脂的拉伸強度略有提升.當Si?phenol的含量超過10％時，硅氧烷鏈段對交聯結構的阻礙作用更顯著，導致樹脂的拉伸強度降低.結合SBPF樹脂耐熱性和力學性能的測試結果，Si?phenol含量為10％時樹脂的各項性能達到最佳，該配比條件下的樹脂不但具有一定的耐熱性，其拉伸強度和室溫剪切強度較BPF得到改善，沖擊強度明顯提高.

3 結 論

通過Williamson醚合成、Claisen重排以及硅氫化反應得到鄰羥基苯丙基硅油（Si?phenol），將其與苯酚以一定的比例混合，采用硼酸酯法合成了有機硅改性硼酚醛樹脂（SBPF）.1H NMR和FTIR結果表明，硅和硼元素以化學方法引入到SBPF的結構中.TGA結果表明SBPF的耐熱性能優于普通酚醛樹脂，1000℃時的殘碳率達到63.6％.對比了不同含量Si?phenol對樹脂力學性能的影響，并探討了其作用機理.結果表明，當Si?phenol的含量適中時（10％）時，樹脂不但具有一定的耐熱性，其拉伸強度和室溫剪切強度較硼酚醛樹脂也得到了改善，特別是沖擊強度明顯提高，綜合性能達到最佳.本文的研究結果對于進一步設計新型的韌性耐高溫酚醛樹脂具有一定的參考價值.

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（Ed.：D，Z，A）

?Supported by the National Natural Science Foundation of China（No.21404100）.

Research on Silicone?modified Boric Phenolic Resin?

GUO Anru1，LI Jie1，LIU Chang2，XIAO Dehai2?
（1．Research Institute of Materials＆Processing Technology，Beijing 100076，China；2．Changchun Institute of Applied Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130022，China）

（2?Hydroxyphenyl）propyl silicone oil（Si?phenol）was obtained via Williamson ether synthesis，Claisen rearrangement，and hydrosilylation，and then was mixed with phenol.The silicone?modified boric phenolic resin（SBPF）was synthesized via borate esterifieation.The structure of SBPF was analyzed by means of1H NMR and FTIR，and the heat?resistance and mechanical performances of SBPF were characterized by TGA，shearing test，tensile test，and impact test.The effects of Si?phenol content on various performances of SBPF were investigated，and the mechanisms were researched.The result shows that the synthesized resin has good heat?resistance，and the introduction of appropriate proportion siloxane segments could improve its adhe?sive property and enhance its mechanical strength.

Phenolic resin；Silicon modification；Boric acid；Heat?resistance；Mechanical performance

O631

A

10.7503／cjcu20160662

2016?09?21.網絡出版日期：2016?11?15.

國家自然科學基金（批準號：21404100）資助.

聯系人簡介：肖德海，男，助理研究員，主要從事耐高溫黏合劑研究.E?mail：dhxiao＠ciac.ac.cn