环氧树脂分子结构设计与性能调控研究进展

环氧树脂因其优异的附着力、耐腐蚀性、热稳定性和电绝缘性，在涂料、胶黏剂、电子封装材料和复合材料等领域得到了广泛应用。然而，传统环氧树脂存在易燃、质脆等缺点，限制了其进一步应用。近年来，研究人员通过分子结构设计和性能调控，取得了显著进展，为环氧树脂的高性能化和多功能化提供了新的思路和方法。

 一、分子结构设计 

1. 生物基环氧树脂的设计

   - 高性能自固化环氧树脂：四川大学邹华维教授团队通过高通量筛选和密度泛函理论（DFT）计算，向短链不对称结构中引入助阻燃“基因”，成功合成了两种高性能自固化环氧树脂mABAEP和SAAEP。这些树脂具有良好的本征阻燃性、高弯曲模量和弯曲强度，且加工工艺简单，可应用于极端复杂环境。

   - 生物基环氧前驱体：大连理工大学蹇锡高院士团队以生物基厚朴酚为原料，制备了含有活性酯基的生物基环氧前驱体（MGOE-EP），并通过分级固化过程形成双负载分担环氧热固性网络。该策略显著提高了树脂的强度和韧性，与传统增韧方法相比，冲击强度提高了1375.6%。 

2. 脂环族环氧树脂的设计

   - 环氧官能度与交联密度调控：研究人员通过分子设计，合成了环氧官能度、交联密度和玻璃化温度可调的脂环族环氧树脂。这种设计不仅提高了树脂的热稳定性和机械性能，还实现了热可修复性。

   - 增韧改性：通过引入硅氧烷和烷基醚链段，对脂环族环氧树脂进行增韧改性，显著提高了其韧性和耐冲击性能。

3. 多功能环氧树脂的设计

   - 自愈合与可回收性：兰州化物所的研究人员通过动态可逆的分子结构设计，开发了一种具有自愈合、可回收、自报告磨损和可定制摩擦的多功能热固性环氧树脂。这种设计为环氧树脂的多功能化提供了新的方向。

 二、性能调控 

1. 增韧与增强

   - 超支化聚合物的应用：中科院宁波材料所刘小青研究员团队提出同时调控超支化聚合物的物理拓扑结构和分子化学结构的思想，解决了现有超支化阻燃剂容易降低环氧树脂玻璃化转变温度的问题。这种改性后的环氧树脂在提高阻燃性的同时，还显著提高了韧性和力学强度。

   - 生物基环氧树脂的增韧：蹇锡高院士团队通过引入聚（丁二烯-丙烯腈）单元（CTBN），形成CTBN-EP基体树脂，显著提高了环氧树脂的韧性和附着力。 

2. 阻燃性能

   - 生物基阻燃剂：研究人员利用木质素衍生物为原料，合成了多种生物基阻燃剂。例如，以香兰素为原料合成的含DOPO单元的生物基环氧树脂单体（DGEBDB），在与双酚A二缩水甘油醚（DGEBA）混合后，固化环氧树脂的极限氧指数（LOI）可达30.2%，并通过了UL-94V-0级测试。

   - 超支化阻燃剂：江南大学的研究团队通过引入含磷/氮的超支化环氧树脂（HPITT），实现了环氧固化物的高效阻燃与增韧改性。这种阻燃剂不仅提高了环氧树脂的阻燃性能，还显著提升了其力学性能。

 三、未来发展方向 

环氧树脂的分子结构设计与性能调控研究仍在不断深入。未来的研究方向可能包括：

- 高性能化：通过分子设计进一步提高环氧树脂的力学性能、热稳定性和耐化学性能。

- 多功能化：开发具有自愈合、可回收、阻燃、抗菌等多功能的环氧树脂。

- 绿色化：利用可再生资源开发生物基环氧树脂，减少对环境的影响。

- 智能化：开发具有自感知、自适应等智能特性的环氧树脂材料。

综上所述，环氧树脂的分子结构设计与性能调控研究已经取得了显著进展，为环氧树脂的高性能化和多功能化提供了坚实的基础。未来，随着研究的不断深入，环氧树脂的应用范围有望进一步扩大。