本发明属于改性酚醛树脂领域，具体涉及一种氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂的制备方法及其酚醛树脂。
背景技术：
酚醛树脂基于其良好的耐热性能、耐烧蚀性能、阻燃性能等，多用于防热耐烧蚀材料的通用基体树脂。随着航天和国防尖端技术的发展，传统的酚醛树脂在耐烧蚀性能、力学性能等方面逐渐不能满足现代工业的需求。酚醛树脂残碳率低，在高温烧蚀过程中降解严重，造成材料孔洞和开裂，因此残碳率高的基体材料是耐烧蚀材料发展方向，提高树脂的耐热性和成碳率，对改善酚醛树脂基复合材料的性能起着关键的作用。为进一步提高酚醛树脂耐热性能和耐烧蚀性能，酚醛树脂的改性研究势在必行。
近年来，利用无机纳米粒子对有机聚合物的改性研究较为广泛，经过这种改性方法可以有效提高聚合物基体的耐热性以及力学性能。其中，笼型聚倍半硅氧烷(英文名称为polyhedraloligomericsilsesquioxane，简称poss)，poss是一种近年来在国际上受到广泛关注的聚合物增强材料，分子结构中的si和o组成的无机支架结构赋予其良好的耐热及力学性能；同时连接的活性反应基团可以实现poss与聚合物之间的化学键合作用，使其与聚合物具有很好的相容性，利用poss对聚合物的改性的研究也越来越多。
例如，中国专利文献cn106496475a中，公开了一种带有八氨基笼型倍半硅氧烷结构的耐热酚醛树脂制备方法，并具体公开了其具体制备过程。在装有温度计、搅拌器和回流冷凝器的三口烧瓶中，加入融化的酚类化合物与碱性催化剂，升温至60-65℃，搅拌10min，将醛类化合物与改性剂混合并搅拌5min后分批量加入三口瓶中，通n2保护，然后将温度提高到100℃，在此条件下反应1.5h后升温至170℃脱水抽真空4-6h，降温至75℃，用ph调节剂调节ph到7-8，脱水冷却24小时候得到改性的目标酚醛树脂。该方法虽然在一定程度上提高了酚醛树脂的耐热性能，但是改性效率仍然不高，得到的改性酚醛树脂的耐烧蚀性能仍然不够理想。
技术实现要素：
本发明的解决的技术问题在于现有技术中利用poss对酚醛树脂的改性效率不高、得到的改性酚醛树脂耐烧蚀性能不够理想问题，进而提供一种氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂的制备方法。
本发明还提供一种氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂的制备方法得到的酚醛树脂。
为了解决上述问题，本发明的氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照1:(1.0～1.5)的摩尔比取酚与醛，再向其中加入催化剂，反应生成含羟甲基酚醛树脂聚合物；
(2)取氨基poss，所述氨基poss与步骤(1)中的所述酚的质量比为(1～10)：100，将其溶解于溶剂中，形成氨基poss溶液；
(3)向步骤(1)中的所述含羟甲基酚醛树脂聚合物中加入步骤(2)中的所述氨基poss溶液，反应至生成所述氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂。
优选地，步骤(1)中，所述酚为苯酚、间苯二酚、双酚a、双酚f、甲基酚、萘酚、腰果酚、对氨基苯酚中的一种或多种。
优选地，步骤(1)中，所述醛为甲醛、乙醛、三聚甲醛、多聚甲醛、糠醛、戊二醛、对羟基苯甲醛中的一种或多种。
优选地，步骤(1)中，所述催化剂为氨水、氢氧化钡、氢氧化钠、三乙胺、氢氧化镁、氧化镁、氧化锌中的一种或多种。
优选地，步骤(1)中，所述催化剂的质量为所述酚的质量的0.05-1％。
优选地，步骤(2)中，所述氨基poss为含有1～8个氨基基团的poss，且结构类型为无规、梯形、桥形、笼形中的一种。
优选地，步骤(2)中，所述溶剂为丙酮、丁酮、二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃、n,n-二甲基甲酰胺、乙酸乙酯中的一种或多种。
优选地，步骤(1)中，反应温度升至80℃；步骤(3)中，反应温度为80～95℃。
优选地，步骤(3)中，在步骤(1)中生成含羟甲基酚醛树脂聚合物的反应进行中，和/或，在步骤(1)中生成含羟甲基酚醛树脂聚合物的反应结束后，向步骤(1)中的所述含羟甲基酚醛树脂聚合物中加入步骤(2)中的所述氨基poss溶液。
进一步优选地，步骤(3)中，分两次向步骤(1)中的所述含羟甲基酚醛树脂聚合物中加入步骤(2)中的所述氨基poss溶液，第一次为步骤(1)中生成含羟甲基酚醛树脂聚合物的反应进行中，第二次为步骤(1)中生成含羟甲基酚醛树脂聚合物的反应结束后。
本发明还提供一种所述的氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂的制备方法制备得到的酚醛树脂。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明所述的氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂的制备方法，通过使酚类和醛类化合物首先反应生成一定程度的单聚体和多聚体，形成一定量羟甲基后再加入氨基poss进一步进行反应，进而促进poss的高效化学反应改性，提高了改性效率。
(2)本发明所述的氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂的制备方法，采用可以完全溶解于所述溶剂中的含氨基poss，分散性高，提前彻底溶解分散形成poss溶液，增强poss在反应体系中的溶解性，制备得到的酚醛树脂具有高残碳率，提升酚醛树脂基体11％的残碳率。尤其是，将所述氨基poss溶液在酚和醛形成羟甲基基团后分为两次加入，第一次在酚醛树脂聚合反应过程中加入改性，第二次直接与成品酚醛树脂物理混合共固化改性，由此得到的酚醛树脂残碳率更高，耐烧蚀性能优异，制备的poss改性酚醛树脂/碳布复合材料的质量烧蚀率可达到0.0320g/s(gjb323a-96)。
附图说明
图1为本发明实施例1中所制备的poss改性酚醛树脂的tg分析结果；
图2为本发明实施例1中所制备的poss改性酚醛树脂/碳布的实物图；
图3为本发明实施例1中所制备的poss改性酚醛树脂/碳布烧蚀测试后实物图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明各实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂、材料或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。实施例中注明具体试剂的生产厂家、型号者，也仅为举例，不同厂家、型号的原料并不影响本发明技术方案的实施及技术效果的实现。
本发明所述的氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照1:(1.0～1.5)的摩尔比取酚与醛，再向其中加入催化剂，反应生成含羟甲基酚醛树脂聚合物；
(2)取氨基poss，所述氨基poss与步骤(1)中的所述酚的质量比为(1～10)：100，将其溶解于溶剂中，形成氨基poss溶液；
(3)向步骤(1)中的所述含羟甲基酚醛树脂聚合物中加入步骤(2)中的所述氨基poss溶液，反应至生成所述氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂。
实施例1
本实施例中，所述的氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照1:1.2的摩尔比取苯酚与甲醛，在搅拌下向熔化后的苯酚加入甲醛，搅拌均匀，降温后再向其中加入催化剂氢氧化钡，氢氧化钡的质量占苯酚的质量的1％，从室温升至80℃，经缩合反应生成含羟甲基酚醛树脂聚合物；
(2)取笼型8-苯胺基poss，所述笼型8-苯胺基poss与步骤(1)中的所述苯酚的质量比为5：100，将其溶解于丙酮中，形成氨基poss溶液；
(3)当步骤(1)中的缩合反应进行1.5h后，向步骤(1)中的所述含羟甲基酚醛树脂聚合物中加入步骤(2)中所述氨基poss溶液，在80～95℃的温度下继续反应至达到反应终点；
(4)将步骤(3)中的反应液减压脱水至胶时间达到80-300s/150℃，生成所述氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂。
需要说明的是，作为本实施例可替换的实现方式，所述苯酚还可替换为间苯二酚、双酚a、双酚f、甲基酚、萘酚、腰果酚、对氨基苯酚中的一种或多种。所述甲醛还可替换为乙醛、三聚甲醛、多聚甲醛、糠醛、戊二醛、对羟基苯甲醛中的一种或多种。所述催化剂氢氧化钡还可替换为氨水、氢氧化钠、三乙胺、氢氧化镁、氧化镁、氧化锌中的一种或多种。所述丙酮还可替换为丁酮、二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃、n,n-二甲基甲酰胺、乙酸乙酯中的一种或多种。所述笼型8-苯胺基poss还可替换为其他含有1～8个氨基基团的poss，且结构类型为无规、梯形、桥形、笼形中的一种氨基poss。
本实施例中，所述笼型8-苯胺基poss购买自北京理工大学公司，型号为hsi1120的产品。
实施例2
本实施例中，所述的氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照1:1.3的摩尔比取甲基酚与甲醛，在搅拌下向甲基酚中加入甲醛，搅拌均匀，降温后再向其中加入催化剂氨水，氨水占甲基酚质量的0.5％，从室温升至80℃，经缩合反应生成含羟甲基酚醛树脂聚合物；
(2)取笼型8-苯胺基poss，所述笼型8-苯胺基poss与步骤(1)中的所述苯酚的质量比为8：100，将其溶解于丙酮中，形成氨基poss溶液；
(3)当步骤(1)中的缩合反应进行1h后，向步骤(1)中的所述含羟甲基酚醛树脂聚合物中加入步骤(2)中所述氨基poss溶液，在80～95℃的温度下继续反应至反应终点；
(4)将步骤(3)中的反应液减压脱水至凝胶时间达到80-300s/150℃，生成所述氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂。
实施例3
本实施例中，所述的氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照1:1.2的摩尔比取苯酚与对羟基苯甲醛，在搅拌下向苯酚加入对羟基苯甲醛，搅拌均匀，降温后再向其中加入催化剂，所述催化剂为氢氧化钡，催化剂的质量占苯酚的质量的1％，从室温升至95℃，经缩合反应生成含羟甲基酚醛树脂聚合物；
(2)取笼型8-苯胺基poss，所述笼型8-苯胺基poss与步骤(1)中的所述苯酚的质量比为5：100，将其溶解于丙酮中，形成氨基poss溶液；
(3)当步骤(1)中生成的含羟甲基酚醛树脂聚合物脱水至粘度达到0.5～2p，向其中加入步骤(2)中所述氨基poss溶液，在65～85℃的温度下，反应至生成所述氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂。
实施例4
本实施例中，所述的氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照1:1.2的摩尔比取苯酚与三聚甲醛，在搅拌下向熔化后的苯酚加入三聚甲醛，搅拌均匀，降温后再向其中加入催化剂氨水，氨水占苯酚质量的0.5％，从60℃升至80℃，经缩合反应生成含羟甲基酚醛树脂聚合物；
(2)取笼型的八氨基poss，所述笼型的八氨基poss与步骤(1)中的所述苯酚的质量比为3：100，将其溶解于三氯甲烷中，形成氨基poss溶液；
(3)向步骤(1)中生成的含羟甲基酚醛树脂聚合物中，加入步骤(2)中所述氨基poss溶液，在80～95℃的温度下继续反应至反应终点；
(4)将步骤(3)中的反应液减压脱水至凝胶时间达到80-300s/150℃，生成所述氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂。
实施例5
本实施例中，所述的氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照0.5:0.5:1的摩尔比取间苯二酚、双酚a与戊二醛，在搅拌下向间苯二酚、双酚a中加入戊二醛，搅拌均匀，降温后再向其中加入催化剂，所述催化剂为按照1:1的质量比混合的三乙胺、氢氧化镁，所述催化剂的质量占间苯二酚、双酚a质量之和的0.05％，从室温升至80℃，经缩合反应生成含羟甲基酚醛树脂聚合物；
(2)取笼型的八氨基poss，所述笼型的八氨基poss与步骤(1)中的所述苯酚的质量比为3：100，将其溶解于按照1:1的质量比混合的丁酮、二氯甲烷中，形成氨基poss溶液；
(3)向步骤(1)中生成的含羟甲基酚醛树脂聚合物中，加入步骤(2)中所述氨基poss溶液，在80～95℃的温度下继续反应至反应终点；
(4)将步骤(3)中的反应液减压脱水至凝胶时间达到80-200s/150℃，生成所述氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂。
实施例6
本实施例中，与实施例1采用相同的原料、方法制备，区别仅在于：步骤(3)中，等分为两次向步骤(1)中的所述含羟甲基酚醛树脂聚合物中加入步骤(2)中的所述氨基poss溶液，第一次为步骤(1)中生成含羟甲基酚醛树脂聚合物的反应进行中，本实施例中为步骤(1)中的缩合反应进行1.5h后，第二次为步骤(4)中生成含羟甲基酚醛树脂聚合物的反应结束后。
对比例1
本对比例的所述的氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂的制备方法，采用与实施例1完全相同的原料，区别在于，包括如下步骤：
按照1:1.2的摩尔比取苯酚与甲醛，取笼型8-苯胺基poss，所述笼型8-苯胺基poss与所述苯酚的质量比为5：100，在搅拌下向熔化后的苯酚加入甲醛、笼型8-苯胺基poss，搅拌均匀，降温后再向其中加入催化剂氢氧化钡，氢氧化钡的质量占苯酚的质量的1％，在80～95℃的温度下继续反应至反应终点；
将反应液减压脱水至凝胶时间达到80-200s/150℃，生成所述氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂。
对比例2
本对比例的所述的氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂的制备方法，采用与实施例1完全相同的原料，区别在于，包括如下步骤：
(1)按照1:1.2的摩尔比取苯酚与甲醛，在搅拌下向熔化后的苯酚加入甲醛，搅拌均匀，降温后再向其中加入催化剂氢氧化钡，氢氧化钡的质量占苯酚的质量的1％，从室温升至80℃后保温，经缩合反应生成含羟甲基酚醛树脂聚合物；
(2)取笼型8-苯胺基poss，所述笼型8-苯胺基poss与步骤(1)中的所述苯酚的质量比为5：100；
(3)当步骤(1)中的缩合反应进行1.5h后，向步骤(1)中的所述含羟甲基酚醛树脂聚合物中加入步骤(2)中所述笼型8-苯胺基poss，在80～95℃的温度下继续反应至反应终点；
(4)将反应液减压脱水至凝胶时间达到80-200s/150℃，生成所述氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂。
对比例3
本对比例的所述的氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂的制备方法，采用与实施例1完全相同的原料，区别在于，包括如下步骤：
取笼型8-苯胺基poss，所述笼型8-苯胺基poss与所述苯酚的质量比为5：100，将其溶解于丙酮中，形成氨基poss溶液；再按照1:1.2的摩尔比取苯酚与甲醛，在搅拌下向熔化后的苯酚加入甲醛、氨基poss溶液，搅拌均匀，降温后再向其中加入催化剂氢氧化钡，氢氧化钡的质量占苯酚的质量的1％，从室温升至95℃，反应至反应终点；
将反应液减压脱水至凝胶时间达到80-200s/150℃，生成所述氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂。
效果试验例
为验证本实施例的技术效果，取按照实施例1-6、对比例1-3中的方法制备得到的poss改性酚醛树脂，进行如下实验：
将实施例1中制备得到的poss改性酚醛树脂与未经改性的酚醛树脂进行tg分析，分析结果如图1所示。
将实施例1中制备得到的poss改性酚醛树脂按照现有技术中的常规方法制为poss改性酚醛树脂/碳布，其实物如图2所示，按照gjb323a-96中的方法进行质量烧蚀率测试，测试后的实物图如图3所示。
在氮气气氛，室温～800℃的条件下，对实施例1-6、对比例1-3中制备得到的poss改性酚醛树脂进行热分析，得到结果如下：
将实施例1-6、对比例1-3中制备得到的poss改性酚醛树脂按照现有技术中的常规方法制为poss改性酚醛树脂/碳布，按照gjb323a-96中的方法进行烧蚀测试，其结果如下：
由此可见，本发明所述的氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂的制备方法，是基于poss中的氨基与酚醛树脂合成过程中形成的单聚体或多聚体中的羟甲基基团进行化学反应改性，poss改性酚醛树脂800℃残碳率高达68.29％，比纯酚醛树脂的残碳率提高11％。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
1.一种氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按照1:(1.0～1.5)的摩尔比取酚与醛，再向其中加入催化剂，反应生成含羟甲基酚醛树脂聚合物；
(2)取氨基poss，所述氨基poss与步骤(1)中的所述酚的质量比为(1～10)：100，将其溶解于溶剂中，形成氨基poss溶液；
(3)向步骤(1)中的所述含羟甲基酚醛树脂聚合物中加入步骤(2)中的所述氨基poss溶液，反应至生成所述氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂。
2.根据权利要求1所述的氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述酚为苯酚、间苯二酚、双酚a、双酚f、甲基酚、萘酚、腰果酚、对氨基苯酚中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述醛为甲醛、乙醛、三聚甲醛、多聚甲醛、糠醛、戊二醛、对羟基苯甲醛中的一种或多种。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述催化剂为氨水、氢氧化钡、氢氧化钠、三乙胺、氢氧化镁、氧化镁、氧化锌中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述催化剂的质量为所述酚的质量的0.05-1％。
6.根据权利要求1-3中任意一项所述的氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述氨基poss为含有1～8个氨基基团的poss，且结构类型为无规、梯形、桥形、笼形中的一种。
7.根据权利要求6所述的氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述溶剂为丙酮、丁酮、二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃、n,n-二甲基甲酰胺、乙酸乙酯中的一种或多种。
8.根据权利要求1-3中任意一项所述的氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，反应温度升至80℃；步骤(3)中，反应温度为80～95℃。
9.根据权利要求1-3中任意一项所述的氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，在步骤(1)中生成含羟甲基酚醛树脂聚合物的反应进行中，和/或，在步骤(1)中生成含羟甲基酚醛树脂聚合物的反应结束后，向步骤(1)中的所述含羟甲基酚醛树脂聚合物中加入步骤(2)中的所述氨基poss溶液。
10.权利要求1-9中任一项所述的氨基poss接枝改性的耐烧蚀酚醛树脂的制备方法制备得到的酚醛树脂。
技术总结