基于咪唑二腈反应性基团的热固性树脂及其制备方法与流程

本发明属于耐高温树脂材料技术领域，尤其涉及一种以咪唑二腈作为反应性基团的热固性树脂及其制备方法。

背景技术：

伴随着航空航天、海洋船舶、微电子等高技术领域的快速发展，对具有耐高温特性的聚合物也提出了更高的要求。热固性高性能树脂具有耐高温，质轻，抗腐蚀等，因此，凭借其优异的综合性能，一直属于高性能聚合物开发的前沿领域。

人们已经相继开发出具有不同热固等级的高性能热固性树脂，包括苯并噁嗪树脂，双马来酰亚胺树脂，芳乙炔树脂，邻苯二甲腈树脂等。其中，以方腈基为反应基团的邻苯二甲腈树脂凭借其优异的耐热性能、热机械性能以及阻燃性能等，在航空航天、海洋船舶等领域具有广泛的应用前景。然而由于邻苯二甲腈树脂，主要是基于4-硝基邻苯二甲腈与羟基等的亲核取代反应，这导致其存在以下缺陷：(1)由于亲核取代快速反应温度一般在250℃左右，而后固化温度在300℃以上，这将阻碍邻苯二甲腈与其他树脂的复合改性；(2)由于主要是基于4-硝基邻苯二甲腈与羟基等的亲核取代反应，使得分子设计与结构修饰不够灵活。

因此，开发一种可与邻苯二甲腈树脂的热固性相媲美、同时改善邻苯二甲腈树脂存在的固化温度高、可修饰差等缺陷的高性能热固性树脂，对于高性能聚合物开发具有十分重要的意义和巨大的商业前景。

技术实现要素：

本发明的目的旨在针对现有技术的不足，提供一种基于咪唑二腈反应性基团的热固性树脂及其制备方法，所制备的热固性树脂具有较低的固化温度、优异的热稳定性和热氧稳定性以及良好的结构修饰性。

本发明提供的基于咪唑二腈反应性基团的热固性树脂，由含有咪唑二腈的化合物加热固化形成，或者由含有咪唑二腈的化合物和固化剂的共混物加热固化形成，所述含有咪唑二腈的化合物与固化剂的质量比为10：(0.7～1.0)。

上述基于咪唑二腈反应性基团的热固性树脂，所述含有咪唑二腈的化合物为以下结构式中的一种：

其中，

上述含有咪唑二腈的化合物，以4,5-二氰基咪唑作为反应性基团，可以被芳香族氨基、酚羟基或金属盐等路易斯酸/路易斯碱，以及含有亚甲基/次甲基等固化基团促进(或加速)固化，从而制备出热固性树脂。该类含有咪唑二腈的化合物，由于咪唑环上具有两个结构修饰位点，从而使所制备的热固性树脂具有优异的结构可修饰性。此外，由于独特芳杂环结构，能够使所得热固性树脂在碳材料，离子液体等方面存在潜在功能性，从而使得所制备的热固性树脂具有广泛潜在应用价值。

上述基于咪唑二腈反应性基团的热固性树脂，所述固化剂为路易斯酸/路易斯碱、或者含有亚甲基/次甲基固化基团的化合物。

所述路易斯酸/路易斯碱可以为具有固化功能的芳香族氨基化合物、酚羟基化合物或金属盐，例如3,3'-(1,3-亚苯基二(氧基))二苯胺、zncl2、双酚a等。所述含有亚甲基/次甲基固化基团的化合物可以为2,2'-(氧代双(4,1-亚苯基))二(3α，4,7,7a四氢-1h-异吲哚-1,3(2h)-二酮)等。在优选的实现方式中，固化剂为氨基固化剂，因为氨基固化剂可以与咪唑环形成氢键，增加固化剂的分散均匀性。

对于不同类型的含有咪唑二腈的化合物，制备热固性树脂的制备方法有所不同，主要分为以下两种：

(a)当含有咪唑二腈的化合物结构式为i、iii、iv或vii时，由于此时的化合物含有自催化基团-nh-，因此可以仅以含有咪唑二腈的化合物作为原料进行固化得到热固性树脂。具体操作为：在氮气氛围下，将含有咪唑二腈的化合物按照如下梯度温度进行固化，

150≤t≤190℃下保温(0～10)h，

200≤t≤210℃下保温(0～10)h，

230≤t≤250℃下保温(0～10)h，

290≤t≤300℃下保温(0.5～10)h，

所述温度150≤t≤190℃、200≤t≤210℃、230≤t≤250℃的保温时间不同时为0；

或者将含有咪唑二腈的化合物依次按照如下温度和时间进行固化：

150≤t≤190℃下保温(0～10)h，

200≤t≤210℃下保温(0～10)h，

230≤t≤250℃下保温(0～10)h，

290≤t≤300℃下保温(0～10)h，

350≤t≤380℃下保温(0.5～10)h；

所述温度150≤t≤190℃、200≤t≤210℃、230≤t≤250℃的保温时间不同时为0；

固化完成后，将所得产物随炉冷却至室温。

(b)当含有咪唑二腈的化合物结构式为i到vii时，含有咪唑二腈的化合物在固化剂作用下得到热固性树脂，通过添加固化剂，可以提升树脂的固化效率、降低固化温度。具体操包括以下步骤：

(1)将含有咪唑二腈的化合物与固化剂按质量比10：(0.7～1.0)进行配料，并将含有咪唑二腈的化合物和固化剂共混均匀得到共混物；

(2)在氮气氛围下，将所得共混物依次按照如下温度和时间进行固化：

150≤t≤190℃下保温(0～10)h，

200≤t≤210℃下保温(0～10)h，

230≤t≤250℃下保温(0～10)h，

290≤t≤300℃下保温(0.5～10)h，

所述温度150≤t≤190℃、200≤t≤210℃、230≤t≤250℃的保温时间不同时为0；

或者将所得共混物依次按照如下温度和时间进行固化：

150≤t≤190℃下保温(0～10)h，

200≤t≤210℃下保温(0～10)h，

230≤t≤250℃下保温(0～10)h，

290≤t≤300℃下保温(0～10)h，

350≤t≤380℃下保温(0.5～10)h；

所述温度150≤t≤190℃、200≤t≤210℃、230≤t≤250℃的保温时间不同时为0；

固化完成后，将所得产物随炉冷却至室温。

上述基于咪唑二腈反应性基团的热固性树脂的制备方法，步骤(1)中，含有咪唑二腈的化合物和固化剂共混实现方式有以下两种：

(i)将含有咪唑二腈的化合物和固化剂溶于溶剂中进行混合，然后将所得混合液旋干；所述溶剂为四氢呋喃或丙酮。

(ii)将含有咪唑二腈的化合物和固化剂通过研磨进行混合。

通过上述方法制备的热固性树脂，在氮气氛围下，树脂重量损失5％的温度可达到570℃，800℃残碳率可达80％，说明所制备的热固性树脂具有良好的热稳定性；即使在空气气氛下，树脂重量损失5％的温度与在氮气氛围下的相差不大，说明所制备的热固相树脂具有良好的热氧稳定性。且由于含有咪唑二腈的化合物所提供的咪唑基团及其独特芳杂环结构，使得所制备的树脂具有优异的结构可修饰性。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明以咪唑二腈基团作为反应性基团，在固化基团作用下，加速固化，制备出具有优异热稳定性及热氧稳定性热固性树脂。

2、本发明由于含有咪唑二腈的化合物所提供的咪唑基团及其独特芳杂环结构，使所制备的热固性树脂具有丰富的可修饰位点，从而使所制备的热固性树脂表现出优异的结构可修饰性。

3、本发明由于含有咪唑二腈的化合物所提供的芳杂环结构，能够使所制备的热固性树脂在制备n掺杂碳材料，介电材料等方面存在潜在功能性，从而使得所制备的热固性树脂具有广泛潜在应用价值。

4、本发明由于原料来源广泛、合成工艺简单、成本低，适于在本领域内推广发展。

附图说明

图1为本发明实施例1中dci与m-apb共混物的流变曲线。

图2为本发明实施例1中dci与m-apb共混物固化前后的红外谱图。

图3为本发明实施例1中热重分析(tga)测试结果；其中，a为dci在氮气气氛下的热重分析曲线，b为m-apb在氮气气氛下的热重分析曲线，c为dci与m-apb固化后所得产物在氮气气氛下的热重分析曲线，d为dci与m-apb固化后所得产物在空气气氛下的热重分析曲线。

具体实施方式

以下通过实施例并结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

以下实施例中：

(1)tga，t5％：是指样品在热重分析仪tg中，氮气氛围下，按照10℃/min的升温速率，失重5％的温度。

(2)残炭率是指样品在热重分析仪tg中，到达800℃时的残余重量。

实施例1

本实施例以咪唑二腈单分子树脂(4,5-二氰基咪唑，dci，市场购买)与固化剂(3,3'-(1,3-亚苯基二(氧基))二苯胺，m-apb)为原料按照以下步骤制备得到：

(1)将10gdci和0.8gm-apb溶解于200ml四氢呋喃中并混合均匀，再将所得混合液经旋干、研磨，得到共混粉末。

(2)将所得共混粉末在氮气氛围下，依次按照以下温度梯度进行固化操作：150℃下保温1h，210℃下保温10h，290℃下保温1h，固化结束后随炉冷却至室温，即得到热固性树脂。

对步骤(1)得到的共混粉末采用流变仪进行流变测试，得到粘度随温度变化的流变曲线，如图1所示。从图中可以看出，dci与m-apb共混粉末在170℃左右发生熔融后，可以保持较低的粘度，但是在225℃以后，粘度开始明显上升，说明dci与m-apb共混体系已经发生了固化反应。

对dci与m-apb共混粉末以及两者固化后所得热固性树脂进行红外分析，分析结果如图2所示。将dci与m-apb固化前后的特征峰相比，主要表现为腈基在2245cm^-1左右的特征峰明显减弱，说明腈基已经参与反应，dci与m-apb的共混粉末已经发生固化反应。

对dci、m-apb、dci与m-apb共混粉末以及两者固化后所得热固性树脂，在氮气氛围下进行热重分析，并对dci与m-apb共混粉末在空气氛围中进行热重分析，分析结果如图3所示。从图中可以看出，dci与m-apb共混体系固化后所得热固性树脂在氮气氛围下的5％失重(t5％)的温度约为563℃，800℃残碳率为65％，相较于dci、m-apb来说，dci与m-apb共混体系固化后所得热固性树脂表现出优异的热稳定性。dci与m-apb共混体系固化后所得热固性树脂在空气氛围下的5％失重(t5％)的温度约为561℃，与在氮气氛围下5％失重(t5％)的温度相近，说明本实施例所制备的热固性树脂具有优异的热氧稳定性。

实施例2

本实施例以咪唑二腈单分子树脂(2,2'，2"-((苯-1,3,5-三基三(氧))三(苯-4,1-二基))三(1h-咪唑-4,5-二腈))与固化剂zncl2为原料按照以下步骤制备得到：

(1)将间苯三酚(10mmol)，碳酸钾(45mmol)以及干燥的dmf(二甲基甲酰胺，30ml)加入到容器中，然后在搅拌条件下，升温至80℃，并于该温度下反应1h，之后降至室温，再向容器中加入4-氟苯甲醛(40mmol)，并升温至回流状态，回流20h后降温至室温，再将所得反应液倒入500ml冰水浴中沉淀，然后用盐酸将含有沉淀的混合液调ph至中性，过滤并收集滤饼，再用去离子水洗涤并过滤三次(每次100ml)，收集所得滤饼在真空条件下80℃干燥12h，获得醛基中间体1；将醛基中间体1(5mmol)、二氨基马来腈(20mmol)及干燥的二氧六环(30ml)加入容器中，然后升温至回流状态，回流10h后降温至80℃，快速的向反应体系中加入二氧化锰(50mmol)，继续升温回至回流状态，反应50h后，降温至室温，过滤并收集滤饼，用乙醚淋洗滤饼，并用thf(四氢呋喃)萃取滤饼中的不溶物，最后对滤饼在100℃旋干5h，即得单体2,2'，2"-((苯-1,3,5-三基三(氧))三(苯-4,1-二基))三(1h-咪唑-4,5-二腈)，结构式如下所示。

(2)将10g步骤(1)所制备的单体和1.0gzncl2进行研磨共混均匀，得到共混粉末。

(3)将所得共混粉末在氮气氛围下，依次按照以下温度梯度进行固化操作：250℃下保温10h，380℃下保温10h，固化结束后随炉冷却至室温，即得到热固性树脂。

在氮气氛围下，对固化后所得热固性树脂进行热重分析，5％失重(t5％)的温度约为551℃，800℃残碳率为75％。

实施例3

本实施例以咪唑二腈单分子树脂(1,1'，1”-((苯-1,3,5-三基三(氧))三(3-(三氟甲基)苯-4,1-二基))三(1h-咪唑-4,5-二腈))与固化剂(2,2'-(氧代双(4,1-亚苯基))二(3α，4,7,7a四氢-1h-异吲哚-1,3(2h)-二酮))(制备方法参见yuanp,jis,huj,etal.systematicstudyonhighlyefficientthermalsynergisticpolymerizationeffectbetweenalicyclicimidemoietyandphthalonitrile:scope,propertiesandmechanism[j].polymer,2016,102:266-280)为原料按照以下步骤制备得到：

(1)将dci(15mmol)，碳酸钾(45mmol)以及干燥的dmso(二甲基亚砜，60ml)加入到容器中，然后在搅拌条件下，于室温反应1h，再向容器中加入2-三氟甲基-5-氟硝基苯(15mmol)，并升温至80℃反应24h，之后降温至室温，将所得反应液倒入500ml冰水浴中沉淀，然后用盐酸将含有沉淀的混合液调ph至中性，过滤并收集滤饼，再用去离子水洗涤并过滤三次(每次100ml)，收集所得滤饼在真空条件下80℃干燥12h，之后用石油醚洗涤三次(每次50ml)，收集所得滤饼在真空条件下110℃干燥12h，获得中间体2；将间苯三酚(3mmol)、碳酸钾(30mmol)以及干燥的dmso(60ml)加入到容器中，在搅拌条件下于室温反应1h，再向容器中加入中间体2(10mmol)，然后升温至110℃反应24h，之后降温至室温，将所得反应液倒入500ml冰水浴中沉淀，然后用盐酸将含有沉淀的混合液调ph至中性，过滤并收集滤饼，再用去离子水洗涤并过滤三次(每次100ml)，收集所得滤饼在真空条件下80℃干燥12h，即得单体(1,1'，1”-((苯-1,3,5-三基三(氧))三(3-(三氟甲基)苯-4,1-二基))三(1h-咪唑-4,5-二腈))，结构式如下所示。

(2)将10g步骤(1)所制备的单体和1.0g固化剂溶于200ml丙酮中并混合均匀，再将所得混合液经旋干、研磨，得到共混粉末。

(3)将所得共混粉末在氮气氛围下，依次按照以下温度梯度进行固化操作：190℃下保温10h，230℃下保温1h，300℃下保温10h，350℃下保温1h，固化结束后随炉冷却至室温，即得到热固性树脂。

在氮气氛围下，对固化后所得热固性树脂进行热重分析，5％失重(t5％)的温度约为565℃，800℃残碳率为78％。

实施例4

本实施例以咪唑二腈单分子树脂(2,2'-((1,3-亚苯基二(氧基))二(4,1-亚苯基))二(4,5-二氢-1h-咪唑-4,5-二腈))三(1h-咪唑-4,5-二腈))与固化剂双酚a为原料按照以下步骤制备得到：

(1)将间苯二酚(10mmol)，碳酸钾(30mmol)以及干燥的dmf(二甲基甲酰胺，25ml)加入到容器中，然后在搅拌条件下，升温至80℃，并于该温度下反应1h，之后降至室温，再向容器中加入4-氟苯甲醛(25mmol)，并升温至回流状态，回流15h后降温至室温，再将所得反应液倒入500ml冰水浴中沉淀，然后用盐酸将含有沉淀的混合液调ph至中性，过滤并收集滤饼，再用去离子水洗涤并过滤三次(每次100ml)，收集所得滤饼在真空条件下80℃干燥12h，获得醛基中间体3；将醛基中间体3(5mmol)、二氨基马来腈(13mmol)及干燥的二氧六环(35ml)加入容器中，然后在搅拌条件下，升温至回流状态，回流10h后降温至80℃，快速的向反应体系中加入二氧化锰100mmol，继续升温回至回流状态，反应40h后，降温至室温，过滤并收集滤饼，用乙醚淋洗滤饼，并用dmf(n,n-二甲基甲酰胺)萃取滤饼中的不溶物，对水沉淀过滤，并收集滤饼，最后对滤饼于100℃旋干5h，即得单体2,2'-((1,3-亚苯基二(氧基))二(4,1-亚苯基))二(4,5-二氢-1h-咪唑-4,5-二腈)，结构式如下所示。

(2)将10g步骤(1)所制备的单体和0.9g固化剂溶于150ml丙酮中并混合均匀，再将所得混合液经旋干、研磨，得到共混粉末。

(3)将所得共混粉末在氮气氛围下，依次按照以下温度梯度进行固化操作：180℃下保温2h，250℃下保温1h，300℃下保温1h，350℃下保温1h，固化结束后随炉冷却至室温，即得到热固性树脂。

在氮气氛围下，对固化后所得热固性树脂进行热重分析，5％失重(t5％)的温度约为561℃，800℃残碳率为79％。

实施例5

本实施例以咪唑二腈单分子树脂(1,1'-((1,3-亚苯基二(氧基))二(3-(三氟甲基)-4,1-亚苯基))二(1h-咪唑-4,5-二腈))与固化剂m-apb为原料按照以下步骤制备得到：

(1)将间苯二酚(5mmol)，碳酸钾(20mmol)以及干燥的dmso(50ml)加入到容器中，然后在搅拌条件下，于室温反应1h，再向容器中加入中间体2(11mmol)，然后升温至110℃反应24h，之后降温至室温，将所得反应液倒入500ml冰水浴中沉淀，然后用盐酸将含有沉淀的混合液调ph至中性，过滤并收集滤饼，再用去离子水洗涤并过滤三次(每次100ml)，收集所得滤饼在真空条件下90℃干燥12h，即得单体1,1'-((1,3-亚苯基二(氧基))二(3-(三氟甲基)-4,1-亚苯基))二(1h-咪唑-4,5-二腈)，结构式如下所示。

(2)将10g步骤(1)所制备的单体和0.7g固化剂溶于100ml丙酮中并混合均匀，再将所得混合液经旋干、研磨，得到共混粉末。

(3)将所得共混粉末在氮气氛围下，依次按照以下温度梯度进行固化操作：200℃下保温1h，240℃下保温1h，300℃下保温1h，350℃下保温1h，固化结束后随炉冷却至室温，即得到热固性树脂。

在氮气氛围下，对固化后所得热固性树脂进行热重分析，5％失重(t5％)的温度约为570℃，800℃残碳率为81％。

实施例6

本实施例以含羟基及咪唑二腈单体(2-(4-羟基苯基)-1h-咪唑-4,5-二腈)为原料固化而成。

(2-(4-羟基苯基)-1h-咪唑-4,5-二腈)制备方法参见bettencourta,castrom,silvaj,etal.newnitrogencompoundscoupledtophenolicunitswithantioxidantandantifungalactivities:synthesisandstructure–activityrelationship[j].molecules,2018,23(10):2530，其结构式如下：

将(2-(4-羟基苯基)-1h-咪唑-4,5-二腈)置于在氮气氛围下，依次按照以下温度梯度进行固化操作：200℃下保温1h，240℃下保温1h，300℃下保温1h，350℃下保温1h，固化结束后随炉冷却至室温，即得到热固性树脂。

在氮气氛围下，对固化后所得热固性树脂进行热重分析，5％失重(t5％)的温度约为541℃，800℃残碳率为70％。

实施例7

本实施例以含氨基及咪唑二腈单体(1-(4-氨基苯基)-1h-咪唑-4,5-二腈)为原料按照以下步骤制备得到：

(1)将3.8937g(33mmol)dci和1.48g含量为60％的nah加入容器中，然后在冰水浴、搅拌条件下，将干燥的dmf39ml滴加到容器中，所得反应体系缓慢释放氢气，dmf滴加完后，让反应体系在室温下继续反应2h，之后将用42mldmf溶解的4.23g(29mmol)对氟硝基苯加入到所得反应体系中，之后将所得反应体系升温至90℃反应6h，反应结束后降温至室温，再旋蒸出大部分溶剂(约70ml)，再将反应液缓慢倒入200ml去离子水中，搅拌十分钟后过滤，重复上述水洗三次至水洗液ph为中性后，将所得滤饼于真空条件下80℃干燥10h，随后用正己烷洗涤粉末，过滤收集滤饼，于真空条件下120℃干燥10h，获得中间体4；随后，将0.45g中间体4溶解于27mldmf中，之后在搅拌条件下向反应体系中加入1.43gna2s*9h2o，再向反应体系中滴加7.6ml冰乙酸(滴加时间为5min)；当冰乙酸滴加完毕后，继续于室温反应12h，之后将反应溶液加入到200ml去离子水中沉淀，所得沉淀过滤并收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼至中性，收集滤饼，并在80℃真空干燥12h，即得到单体(1-(4-氨基苯基)-1h-咪唑-4,5-二腈)，其结构式如下：

(2)将(1-(4-氨基苯基)-1h-咪唑-4,5-二腈)置于在氮气氛围下，依次按照以下温度梯度进行固化操作：180℃下保温1h，230℃下保温1h，300℃下保温1h，350℃下保温0.5h，固化结束后随炉冷却至室温，即得到热固性树脂。

在氮气氛围下，对固化后所得热固性树脂进行热重分析，5％失重(t5％)的温度约为555℃，800℃残碳率为73％。

实施例8

本实施例以咪唑二腈单分子树脂(1,1'-(丙烷-1,3-二基)双(1h-咪唑-4,5-二腈))与固化剂m-apb为原料按照以下步骤制备得到：

(1)将10g1,1'-(丙烷-1,3-二基)双(1h-咪唑-4,5-二腈)和1.0gm-apb溶解于300ml丙酮中并混合均匀，再将所得混合液经旋干、研磨，得到共混粉末。

(2)将所得共混粉末在氮气氛围下，依次按照以下温度梯度进行固化操作：150℃下保温1h，200℃下保温1h，240℃下保温1h，290℃下保温0.5h，固化结束后随炉冷却至室温，即得到热固性树脂。

1,1'-(丙烷-1,3-二基)双(1h-咪唑-4,5-二腈)制备方法参见pinterp,biffisa,tubaroc,etal.palladium(ii)complexeswithelectron-poor,4,5-disubstituteddiimidazol-2-ylideneligands:synthesis,characterizationandcatalyticactivity[j].daltontransactions,2015,44(20):9391-9399，其结构式如下：

在氮气氛围下，对固化后所得热固性树脂进行热重分析，5％失重(t5％)的温度约为450℃，800℃残碳率为61％。