凝胶网络结构对环氧发泡材料微孔形态调控机理的研究

This project is based on the thermosetting epoxy resin. The gel network structure (cross-linking density, molecular weight between crosslinks and gel fraction) is changed by matrix resin, curing agent, aid agent and inorganic nanoparticles through designing the chemical structure. And the effect of cross-link structure and properties on the foaming behavior of epoxy microcellular foam is investigated and then the mechanism of the nucleation, growth and stability of cells in thermosetting resin is also studied. This new process, which can control the cell morphology, is used to prepare the microcellular epoxy foam with small cell size, high cell density, uniform cell size distribution and easy processing. The results of this research will provide theoretical guidance for preparing epoxy foams with high properties.

以热固性环氧树脂作为研究对象，从化学结构设计着手，通过基体树脂、固化剂、固化助剂及纳米无机粒子调控环氧树脂预聚体的凝胶网络结构（交联密度、交联点间分子量、凝胶含量），研究环氧树脂预聚体的网络结构及性能对发泡材料发泡行为的影响，在此基础上，探讨环氧树脂的网络结构影响热固性树脂泡孔形核、长大、定型的机制。获得一种调控环氧树脂发泡材料泡孔结构参数的新的工艺方法，从而制备出泡孔尺寸小、泡孔密度大、泡孔尺寸分布均匀，且便于成型的微孔发泡环氧树脂材料，并为高性能的环氧树脂基微孔发泡材料的设计制造提供理论依据。

微孔发泡聚合物材料的概念自二十世纪八十年代提出以来，就成为国内外研究和开发应用的热点。国内外对微孔发泡聚合物材料的研究及开发主要集中在热塑性聚合物材料，对热固性聚合物材料，如环氧树脂，制备微孔发泡环氧树脂材料的研究报道不多，也没有建立完整的相关理论和模型。本项目以热固性环氧树脂作为研究对象，突破了化学发泡法制备环氧微孔发泡材料的关键技术，主要开展了以下研究工作：①通过调控预聚体凝胶网络结构（交联密度、交联点间分子量、凝胶含量）制备出适合化学发泡的环氧树脂粉末，开发了制备环氧树脂基微孔发泡材料的新的工艺方法；②研究了纳米无机粒子及基体树脂对发泡行为的影响，揭示了环氧预聚体网络结构及纳米无机粒子调控泡孔形态的内在机制；③发现了受限发泡下环氧发泡材料的逆温度—时间—转化率固化图谱规律的现象，并探索了其内在分子作用机理。通过本项目的实施，所开发的工艺方法解决了传统化学发泡两步法工艺中环氧树脂预聚体流动性差、表观密度大、泡孔较大等实际应用问题；所揭示的泡孔调控机制为高性能的环氧树脂基微孔发泡材料的设计制造提供了理论依据；所探索的新发现可能是模压成型环氧发泡制品化学性能，电性能等不稳定的内在原因，并为实际生产中解决这一问题提供了一定的理论指导。在本项目支持下，开展的部分研究工作发表在材料学权威学术期刊上（advanced materials），受到国内外学者的关注。