四川
具有良好热稳定性和化学稳定性的硅橡胶是极具潜力的固体火箭发动机内烧蚀涂层材料，但硅橡胶高温下极低的质量保留率是其不足，加入酚醛树脂是改善硅橡胶的耐烧蚀性能的重要手段。但是，由于酚醛树脂和硅橡胶的极性迥异、二者完全不相容，因此，常规的物理和机械共混手段很难兼顾改性硅橡胶材料的工艺性、耐烧蚀性和力学性能。
近日，西安交通大学井新利教授课题组开展了耐烧蚀硅橡胶复合材料的研究，创造性地实现了酚醛树脂在硅橡胶基体中的纳米级分散，使硅橡胶的耐烧蚀性能得到显著提升。这项工作的研究成果已在线发表于《Chemical Engineering Journal》上，论文题目为“High ablation-resistant silicone rubber composites via nanoscale phenolic resin dispersion”。
在该项研究中，作者将端羟基硅油通过氨基甲酸酯键连接到热塑性酚醛树脂分子上，再通过优化的混炼工艺，实现了酚醛树脂在硅橡胶中的纳米级分散。其中，动态氨基甲酸酯基的运用是实现酚醛树脂纳米级分散的关键。首先，单羟基硅油分子和酚醛树脂之间以共价键结合能够确保酚醛树脂更稳定地分散于硅橡胶基体中；其次，在高温混炼过程中，具有动态交换能力的氨基甲酸酯基在机械剪切的作用下发生解离与重构，使酚醛树脂颗粒尺寸不断减小的同时，硅油分子链能够稳定地覆盖在酚醛树脂颗粒表面。作者对比了以传统氨基甲酸酯基引入酚醛树脂以及直接通过物理混合引入酚醛树脂的改性硅橡胶体系，证实了动态共价键对于改善酚醛树脂与硅橡胶之间相容性的重要作用。
图1. 酚醛树脂在硅橡胶中的分散。(a) 酚醛树脂在硅橡胶中的分散示意图；(b) 通过物理混合引入酚醛树脂的改性硅橡胶的断面；(c-e) 通过动态氨基甲酸酯基引入酚醛树脂的改性硅橡胶断面，其中酚醛树脂用量为7%(c)，10%(d)和13%(e)；(f-h) 通过传统氨基甲酸酯键引入酚醛树脂的改性硅橡胶的断面，其中酚醛树脂用量为2%(f)，10%(g)和13%(h)。
良好分散的酚醛树脂不仅显著地改善了硅橡胶的机械性能，而且使硅橡胶的高温质量保留率显著提高。将这种改性硅橡胶作为基体，向其中加入二氧化硅、短切碳纤维和短切芳纶纤维作为混合填料，所得复合材料具有优异的耐烧蚀性能(质量烧蚀率为0.0466 g/s)、机械性能(拉伸强度3.23 MPa)和高的回弹性，有望应用于固体火箭发动机的耐烧蚀涂层材料。
图2. 纳米分散酚醛树脂改性硅橡胶复合材材料的性能。(a) 改性硅橡胶及其复合材料经氧乙炔焰烧蚀后的外观和微观形貌，其中M-NSR0、M-NSR40和M-NSR60分别代表复合材料中混合填料含量分别为0，40和60 phr；(b-c) 分别为改性硅橡胶及其复合材料的线烧蚀率、拉伸强度和回弹性。
该研究发展了一种新型的柔性耐烧蚀材料及其制备方法，可望用于固体火箭发动机内烧蚀涂层材料。井新利教授课题组专注于动态交联高分子和耐烧蚀酚醛树脂及其复合材料的研究，这是将动态共价交联概念应用于耐烧蚀高分子材料又一成果。前期工作可参见去年发表于《Chemical Engineering Journal》上的研究论文，题目为
通讯作者简介
井新利，男，工学博士，西安交通大学化学学院教授。长期从事高分子材料科学与工程领域的教学和科研工作，近年主要开展动态交联高分子、热固性树脂和航天耐烧蚀复合材料的研究。发表学术论文100余篇，申请发明专利28件(已授权23件)。
课题组网址：
https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/xljing/welcome1
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723038639
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