芳香族热固性共聚酯具有独特的性能以及多种形式的可用性

160年前，亚历山大·帕克斯（Alexander Parkes）在伦敦国际展览会上推出了第一种人造塑料。115年前，利奥·贝克兰（Leo Bakeland）创造了第一种完全合成并在商业上取得成功的聚合物。目前，与现有聚合物家族的新型共混物和合金不同，新树脂体系的开发已不再常见。因此，当一种增强体与一种新的聚合物基体复合时，特别是一种具有独特的性能组合的聚合物，使复合材料能够适用于各种应用领域，是当下研究的热点问题之一。12年前，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）材料科学与工程系前系主任、终身教授詹姆斯（James Economy）博士发明了一种新型工业树脂基体。2021年秋，詹姆斯（James Economy）博士以92岁高龄逝世，他给世人留下一本由250篇研究论文、47个章节、100多项美国专利组成的著作，其中至少包括20项新型聚合物技术的发明，这无疑是对材料科学和工程领域的巨大贡献。

图片来源：ATSP Innovations股份有限公司

有一种名为芳香族热固性共聚酯的新型树脂（ATSP），由ATSP创新股份有限公司（Houston, Texas, U.S.）研发。ATSP聚合物潜在应用之一是NASA资助的项目，该项目涉及可展开结构的可折叠复合材料。为此，2021年底，ATSP Innovations公司制备了一种由ATSP聚合物浸润的薄层平纹碳纤维织物复合材料（如图所示）。

ATSP是一种非催化缩合聚合生成的的固化聚合物，分子中和包含连续的非晶和结晶段。因此，它拥有热固性和热塑性塑料中常见的混合性能。例如，像热固性树脂一样，一旦聚合和交联，它提供高耐热性和广泛的耐腐蚀性和尺寸稳定性。它的玻璃化转变温度（Tg）超过250°C，在低于500°C的温度下不会热降解，这意味着它非常适合在大多数聚合物早已熔化或分解的高温条件下使用。

然而，与热塑性塑料一样，它提供了良好的机械加工性、模后“可焊性”和熔体可再加工性，使废料和报废（EOL）零件得以回收。它在170-180℃之间软化，在230-240℃之间为未固化液体，在270℃下开始固化，在340℃下完全固化。根据形状需要以及人们希望固化聚合物的速度，可以使用红外、微波和感应等热源。甚至其机械性能也混合了最好的热固性材料（拉伸模量为4.2GPa）和热塑性塑料（8-10%应变至失效）。由于它是芳香族聚合物，这就意味着它开始时是环状结构的低聚物，在聚合前加热270-340°C会导致粘度快速下降（这因配方而异，但约为4000-10000厘泊），使ATSP能够浸润各种纤维，包括碳、玻璃、玄武岩和天然纤维。事实上，Meyers表示ATSP已经生产出了纤维体积分数高达70%的碳纤维增强复合材料。这种材料还提供了与包括石墨烯在内的各种纳米颗粒的优良相容性。

ATSP的密度为1.32。据说它具有低挥发性，不含挥发性有机化合物（VOCs），对环境和人类绝对安全。同时，它的结构稳定性很高，长时间内不会降解。ATSP有着良好的电绝缘性，在25°C和10千赫时的介电常数为5.0，介电击穿强度为384.4V/μm。该材料还具有高氧化稳定性、低粉尘易加工性和极低吸湿率（0.2-0.3%）。

此外，ATSP还具有优异的和固有的非卤化阻燃性，极限氧指数（LOI）为40%，UL 94V-0列表为1.5毫米。当材料暴露在明火中时，聚合物会形成一种稳定的炭包裹其表面，从而隔绝下面未燃烧的材料。此外，它最显著的特点是拥有可交换键，这是链间酯交换反应（ITR）的作用，在加热（在270-340°C范围内）和加压（平均1-4MPa）后，可将先前交联的部件像热塑性树脂一样“焊接”在一起。再加热，便可把它们拉开。

ATSP聚合物具有广泛的应用潜力。例如，它可以作为预聚物（可以被溶剂化）、预固化的散装片材或形状（用于加工而不是模具部件的固体纯聚合物或增强聚合物块），或作为具有连续纤维结构的复合层压材料使用。此外，它也可作为粉末或薄膜用于涂覆或浸渍其他材料。

除了用作航空航天和汽车市场外，ATSP目前还被评估为高性能熔融或溶剂纺丝纤维。尽管迄今为止，研究人员只实现了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，这使其成为建筑行业基础设施、高温阻隔材料和夹层面板复合材料的优异选择。在航空航天和汽车领域，赋予其与聚酰亚胺泡沫竞争的能力。

此外，ITR可以通过在宽的温度范围内产生具有高剪切强度（在80μm厚度下为20MPa）的结构粘合剂。作为粘合剂，该材料（粉末涂层形式）是透明的、快速粘合的，对大部分工业材料（包括聚合物复合材料、铝、钢和玻璃）具有优异的粘合性，并且具有类似热塑性树脂的优点，能够多次粘合同时不损失机械性能。

上面的扫描电子显微照片（SEM）图像显示，在与碳纤维丝束成90°的位置，基体中完全发生了断裂。这是基体主导的，材料表现出高纤维/基质界面剪切强度。下面的SEM图像显示，树脂在断裂表面仍与纤维紧密结合。

ATSP聚合物的另一个应用领域是生产具有ATSP膜/涂层的高性能聚合物轴承，该膜/涂层是为高负载、高速和高温的极端工作条件而配制的。ATSP甚至可以用于3D打印，从而开辟了更多的市场应用机会。

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