160年前，亞歷山大·帕克斯（Alexander Parkes）在倫敦國際展覽會上推出了第一種人造塑料。115年前，利奧·貝克蘭（Leo Bakeland）創(chuàng)造了第一種完全合成并在商業(yè)上取得成功的聚合物。目前，與現(xiàn)有聚合物家族的新型共混物和合金不同，新樹脂體系的開發(fā)已不再常見。因此，當(dāng)一種增強(qiáng)體與一種新的聚合物基體復(fù)合時，特別是一種具有獨特的性能組合的聚合物，使復(fù)合材料能夠適用于各種應(yīng)用領(lǐng)域，是當(dāng)下研究的熱點問題之一。12年前，伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）材料科學(xué)與工程系前系主任、終身教授詹姆斯（James Economy）博士發(fā)明了一種新型工業(yè)樹脂基體。2021年秋，詹姆斯（James Economy）博士以92歲高齡逝世，他給世人留下一本由250篇研究論文、47個章節(jié)、100多項美國專利組成的著作，其中至少包括20項新型聚合物技術(shù)的發(fā)明，這無疑是對材料科學(xué)和工程領(lǐng)域的巨大貢獻(xiàn)。

圖片來源：ATSP Innovations股份有限公司

有一種名為芳香族熱固性共聚酯的新型樹脂（ATSP），由ATSP創(chuàng)新股份有限公司（Houston, Texas, U.S.）研發(fā)。ATSP聚合物潛在應(yīng)用之一是NASA資助的項目，該項目涉及可展開結(jié)構(gòu)的可折疊復(fù)合材料。為此，2021年底，ATSP Innovations公司制備了一種由ATSP聚合物浸潤的薄層平紋碳纖維織物復(fù)合材料（如圖所示）。

ATSP是一種非催化縮合聚合生成的的固化聚合物，分子中和包含連續(xù)的非晶和結(jié)晶段。因此，它擁有熱固性和熱塑性塑料中常見的混合性能。例如，像熱固性樹脂一樣，一旦聚合和交聯(lián)，它提供高耐熱性和廣泛的耐腐蝕性和尺寸穩(wěn)定性。它的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）超過250°C，在低于500°C的溫度下不會熱降解，這意味著它非常適合在大多數(shù)聚合物早已熔化或分解的高溫條件下使用。

然而，與熱塑性塑料一樣，它提供了良好的機(jī)械加工性、模后“可焊性”和熔體可再加工性，使廢料和報廢（EOL）零件得以回收。它在170-180℃之間軟化，在230-240℃之間為未固化液體，在270℃下開始固化，在340℃下完全固化。根據(jù)形狀需要以及人們希望固化聚合物的速度，可以使用紅外、微波和感應(yīng)等熱源。甚至其機(jī)械性能也混合了最好的熱固性材料（拉伸模量為4.2GPa）和熱塑性塑料（8-10%應(yīng)變至失效）。由于它是芳香族聚合物，這就意味著它開始時是環(huán)狀結(jié)構(gòu)的低聚物，在聚合前加熱270-340°C會導(dǎo)致粘度快速下降（這因配方而異，但約為4000-10000厘泊），使ATSP能夠浸潤各種纖維，包括碳、玻璃、玄武巖和天然纖維。事實上，Meyers表示ATSP已經(jīng)生產(chǎn)出了纖維體積分?jǐn)?shù)高達(dá)70%的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。這種材料還提供了與包括石墨烯在內(nèi)的各種納米顆粒的優(yōu)良相容性。

ATSP的密度為1.32。據(jù)說它具有低揮發(fā)性，不含揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs），對環(huán)境和人類絕對安全。同時，它的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性很高，長時間內(nèi)不會降解。ATSP有著良好的電絕緣性，在25°C和10千赫時的介電常數(shù)為5.0，介電擊穿強(qiáng)度為384.4V/μm。該材料還具有高氧化穩(wěn)定性、低粉塵易加工性和極低吸濕率（0.2-0.3%）。

此外，ATSP還具有優(yōu)異的和固有的非鹵化阻燃性，極限氧指數(shù)（LOI）為40%，UL 94V-0列表為1.5毫米。當(dāng)材料暴露在明火中時，聚合物會形成一種穩(wěn)定的炭包裹其表面，從而隔絕下面未燃燒的材料。此外，它最顯著的特點是擁有可交換鍵，這是鏈間酯交換反應(yīng)（ITR）的作用，在加熱（在270-340°C范圍內(nèi)）和加壓（平均1-4MPa）后，可將先前交聯(lián)的部件像熱塑性樹脂一樣“焊接”在一起。再加熱，便可把它們拉開。

ATSP聚合物具有廣泛的應(yīng)用潛力。例如，它可以作為預(yù)聚物（可以被溶劑化）、預(yù)固化的散裝片材或形狀（用于加工而不是模具部件的固體純聚合物或增強(qiáng)聚合物塊），或作為具有連續(xù)纖維結(jié)構(gòu)的復(fù)合層壓材料使用。此外，它也可作為粉末或薄膜用于涂覆或浸漬其他材料。

除了用作航空航天和汽車市場外，ATSP目前還被評估為高性能熔融或溶劑紡絲纖維。盡管迄今為止，研究人員只實現(xiàn)了0.2g/cm³的密度降低，但ATSP泡沫提供了良好的隔音效果和阻燃性，這使其成為建筑行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施、高溫阻隔材料和夾層面板復(fù)合材料的優(yōu)異選擇。在航空航天和汽車領(lǐng)域，賦予其與聚酰亞胺泡沫競爭的能力。

此外，ITR可以通過在寬的溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生具有高剪切強(qiáng)度（在80μm厚度下為20MPa）的結(jié)構(gòu)粘合劑。作為粘合劑，該材料（粉末涂層形式）是透明的、快速粘合的，對大部分工業(yè)材料（包括聚合物復(fù)合材料、鋁、鋼和玻璃）具有優(yōu)異的粘合性，并且具有類似熱塑性樹脂的優(yōu)點，能夠多次粘合同時不損失機(jī)械性能。

上面的掃描電子顯微照片（SEM）圖像顯示，在與碳纖維絲束成90°的位置，基體中完全發(fā)生了斷裂。這是基體主導(dǎo)的，材料表現(xiàn)出高纖維/基質(zhì)界面剪切強(qiáng)度。下面的SEM圖像顯示，樹脂在斷裂表面仍與纖維緊密結(jié)合。

ATSP聚合物的另一個應(yīng)用領(lǐng)域是生產(chǎn)具有ATSP膜/涂層的高性能聚合物軸承，該膜/涂層是為高負(fù)載、高速和高溫的極端工作條件而配制的。ATSP甚至可以用于3D打印，從而開辟了更多的市場應(yīng)用機(jī)會。

此文由中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會翻譯，文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請注明出處。