有機(jī)硅改性硼酚醛樹脂的研制

郭安儒，李　杰，劉　暢，肖德海

（1.航天材料及工藝研究所，北京100076；2.中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所，長春130022）

有機(jī)硅改性硼酚醛樹脂的研制

郭安儒1，李杰1，劉暢2，肖德海2

（1.航天材料及工藝研究所，北京100076；2.中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所，長春130022）

通過Williamson醚合成、Claisen重排及硅氫化反應(yīng)得到鄰羥基苯丙基硅油（Si?phenol），將其與苯酚混合，采用硼酸酯法合成有機(jī)硅改性硼酚醛樹脂（SBPF）.利用1H NMR和FTIR技術(shù)對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，采用熱重分析（TGA）、剪切測試、拉伸測試以及沖擊測試等手段對其耐熱能和力學(xué)性能進(jìn)行表征.考察了Si?phenol的含量對樹脂各項(xiàng)性能的影響，并研究其作用機(jī)理.結(jié)果表明，合成的有機(jī)硅改性硼酚醛樹脂具有良好的耐熱性，適量硅氧烷鏈段的引入可以改善樹脂的黏接性能，提高其力學(xué)強(qiáng)度.

酚醛樹脂；硅改性；硼酸；耐熱性；力學(xué)性能

酚醛樹脂（PF）是最早合成的樹脂，其具有原料易得、合成方便、工藝性、熱性能及電絕緣性能優(yōu)良等特點(diǎn)，在電子、防火涂料、耐火材料、航空航天飛行器及先進(jìn)復(fù)合材料等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1，2］.隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)的酚醛樹脂由于分子結(jié)構(gòu)上的酚羥基和亞甲基容易氧化，使其耐熱性較差，脆性大，很大程度上限制了其在高性能材料中的應(yīng)用.

為改善酚醛樹脂的阻燃性和耐熱性，硼、磷和硅等無機(jī)元素被引入到酚醛樹脂的結(jié)構(gòu)中［2～5］.其中，最成功的改性品種之一是硼酚醛樹脂（BPF）［5～7］，其可通過自交聯(lián)形成含有硼的三維交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而展現(xiàn)出高氧指數(shù)、低毒、低煙和低發(fā)熱量等性能，以及優(yōu)異的抗氧化能力和耐熱性能，并且在熱解時(shí)不會(huì)釋放出有毒氣體，但是其缺點(diǎn)是脆性較大，力學(xué)性能有待進(jìn)一步改善.

本文從分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，利用苯酚和3?溴丙烯的Williamson醚合成反應(yīng)以及Claisen重排反應(yīng)制得了烯丙基苯酚，并通過硅氫化反應(yīng)合成鄰羥基苯丙基硅油（Si?phenol），將其與一定比例的苯酚混合，采用硼酸酯法合成有機(jī)硅改性硼酚醛樹脂（SBPF），在保證一定殘?zhí)悸实臈l件下，提高了樹脂的柔韌性和黏接性能，同時(shí)降低了其脆性.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 試劑與儀器

苯酚（Phennol，分析純），硼酸（Boron，分析純），多聚甲醛（POM，分析純），鄰二氯苯（純度98％），上海麥克林生化科技有限公司；碳酸鉀（K2CO3，分析純），丙酮（分析純），乙酸乙酯（分析純），甲苯（分析純），北京化工廠；六水合氯鉑酸（H2PtCl6·6H2O，純度99.9％）和3?溴丙烯（純度98％），薩恩化學(xué)技術(shù)（上海）有限公司；含氫硅氧烷（含氫量0.8％，黏度20～50 mPa·s），上海硅友新材料科技有限公司；酚醛樹脂（PF，工業(yè)級），伯馬風(fēng)帆實(shí)業(yè)有限公司.

VERTEX 70型傅里葉變換紅外光譜儀（布魯克科技有限公司）；AVANCEⅢ300兆核磁共振波譜儀［鉑悅儀器（上海）有限公司］；Diamond TG／DTA熱重?差熱綜合熱分析儀（珀金埃爾默股份有限公司）；INSTRON?1121型材料試驗(yàn)機(jī)（美國英斯特朗公司）；JJ?20型計(jì)算機(jī)控制記憶沖擊試驗(yàn)機(jī)（長春市智能儀器設(shè)備有限公司）；SX?2.5?10箱式電阻爐（北京科偉永興儀器有限公司）.

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

化合物Si?phenol（5）的合成路線如Scheme 1所示.

Scheme 1 Synthetic route of Si?phenol（5）

1.2.1 苯基烯丙基醚（2）的合成 在配有冷凝管、溫度計(jì)、膠塞和攪拌子的三口燒瓶中加入丙酮及一定量的苯酚和K2CO3，同時(shí)在N2氣保護(hù)下，攪拌升溫至40℃，緩慢滴加3?溴丙烯，滴加完畢后將體系升溫至80℃，在回流狀態(tài)下保持12 h后過濾，將濾液減壓蒸餾除去溶劑，將殘余物用乙醚和水分液，干燥并過濾有機(jī)相，減壓除去溶劑從而得到產(chǎn)物.

1.2.2 2?烯丙基苯酚（3）的合成 在配有冷凝管、溫度計(jì)、膠塞及攪拌子的三口燒瓶中將生成的苯基烯丙基醚溶于鄰二氯苯中，在N2氣保護(hù)下，將體系緩慢升溫至180℃，在回流狀態(tài)下保持24 h后減壓蒸餾除去溶劑，將殘余物通過柱層析（石油醚∶乙酸乙酯體積比為4∶1）得到產(chǎn)物2?烯丙基苯酚（產(chǎn)率為72％）.

1.2.3 鄰羥基苯丙基硅油（Si?phenol，5）的制備 在配有冷凝管、溫度計(jì)、膠塞及攪拌子的三口燒瓶中加入甲苯，在攪拌條件下加入烯丙基苯酚，然后加入含氫硅氧烷，最后加入H2PtCl6·6H2O.在N2氣保護(hù)下，將體系緩慢升溫至100℃，在回流狀態(tài)下保持36 h后減壓除去溶劑即得到產(chǎn)物鄰羥基苯丙基硅油.

1.2.4 有機(jī)硅改性硼酚醛樹脂（SBPF）的合成 將250 mL三口燒瓶于80℃下預(yù)熱，將一定量融化后的苯酚與Si?phenol按一定比例混合，加入三口燒瓶中，并放入攪拌子.將三口燒瓶固定在80℃預(yù)熱的恒溫?cái)嚢栌驮″亙?nèi)，插好溫度計(jì)、冷凝管和膠塞，開始攪拌.稱一定量的硼酸倒入三口燒瓶內(nèi)，開始升溫，當(dāng)溫度到達(dá)預(yù)定值時(shí)開始計(jì)時(shí).反應(yīng)一定時(shí)間后，減壓蒸餾30 min后停止蒸餾，緩慢降溫至70℃.加入一定量的多聚甲醛，緩慢升溫至預(yù)定溫度，待多聚甲醛完全溶解，減壓蒸餾.待蒸餾出一定量液體后，停止蒸餾，將產(chǎn)品置于60℃真空干燥箱內(nèi)，干燥24 h.本文共合成了7種配比的改性樹脂，具體配方如表1所示.

Table1 Reaction ratio of SBPF with different Si?phenol contents?

1.3 測試與表征

1.3.1 紅外測試 采用VERTEX 70型傅里葉變換紅外光譜儀測試紅外光譜，掃描范圍4000～400 cm－1，KBr研磨壓片制樣.

1.3.2 核磁測試 采用AVANCEⅢ300 MHz共振波譜儀，溶劑為CDCl3.

1.3.3 殘?zhí)悸蕼y試 將樹脂試樣（mo，g）置于坩堝中，在800℃的箱式電阻爐中加熱30 min后自然冷卻至室溫，稱重計(jì)為md（g），殘?zhí)悸蕿閙d／mo×100％，平行樣測試3次.

1.3.4 熱失重分析 采用Diamond TG／DTA熱重?差熱綜合熱分析儀測試樹脂的熱失重曲線，測試條件：N2氣氣氛，升溫速率10℃／min，氣流速度20.00 mL／min，測試溫度為室溫至1000℃.

1.3.5 剪切測試 采用鋁片作為黏接物，鋁片尺寸：100 mm×25 mm×2 mm，膠黏劑搭接長度12.5 mm.固化條件：150℃固化2 h，180℃固化2 h.采用INSTRON?1121型材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試，平行樣測試5次.

1.3.6 拉伸測試 采用30～60目軟木粒作為黏接物，木粒與樹脂共混（質(zhì)量比為80∶20），固化條件為：150℃固化2 h，180℃固化2 h，固化成型后裁條進(jìn)行測試，樣條尺寸100 mm×10 mm×2 mm.采用INSTRON?1121型材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試，拉伸速率10 mm／min，平行樣測試3次.

1.3.7 沖擊測試 軟木樣條制備方法同拉伸測試方法，樣條尺寸80 mm×10 mm×2 mm.采用JJ?20型計(jì)算機(jī)控制記憶沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試，平行樣測試3次.

2 結(jié)果與討論

2．1 鄰羥基苯丙基硅油的合成及1H NMR表征

鄰羥基苯丙基硅油（5）的合成：從苯酚出發(fā)，首先通過烯丙基化反應(yīng)合成了烯丙基苯基醚化合物2，再通過在甲苯中加熱發(fā)生Claisen重排得到化合物3，化合物3在氯鉑酸催化下與含氫硅氧烷發(fā)生硅氫化反應(yīng)得到鄰羥基苯丙基硅油5.整體反應(yīng)操作簡單，原料經(jīng)濟(jì)易得，且易于進(jìn)行大量的合成和工業(yè)化生產(chǎn).

1H NMR表征數(shù)據(jù)如下.化合物2：1H NMR（300 MHz，CDCl3），δ：7.32（t，J＝7.9 Hz，2H），6.98（t，J＝9.7 Hz，3H），6.11（ddd，J＝22.3，10.5，5.3 Hz，1H），5.39（dd，J＝39.3，13.9 Hz，2H），4.58（d，J＝5.2 Hz，2H）.13C NMR（75 MHz，CDCl3）δ：158.61，133.39，129.47，120.86，117.64，114.75，68.72.

化合物3：1H NMR（300 MHz，CDCl3），δ：7.17（t，J＝7.3 Hz，2H），6.93（t，J＝7.4 Hz，1H），6.85（d，J＝8.0 Hz，1H），6.16～5.99（m，1H），5.22（dd，J＝3.9，1.6 Hz，2H），5.17（s，1H），3.46（d，J＝6.3 Hz，2H）.13C NMR（75 MHz，CDCl3）δ：158.61，133.39，129.47，120.86，117.64，114.75，68.72.

化合物5：1H NMR（300 MHz，CDCl3），δ：7.18～6.98（m，2H），6.94～6.65（m，2H），2.68～2.38（m，2H），1.76～1.50（m，2H），0.71～0.18（m，2H），0.06（s，9H）.

2.2 紅外光譜

圖1為Si?phenol（5）的紅外光譜，在3440 cm－1處的吸收峰為酚羥基O—H鍵的伸縮振動(dòng)峰，3030和2960 cm－1處的吸收峰為C—H鍵的伸縮振動(dòng)峰，1591和1491 cm－1處的吸收峰為苯環(huán)骨架振動(dòng)峰，1455 cm－1處的吸收峰為苯環(huán)與烯丙基之間C—C鍵的特征峰，1265 cm－1處的吸收峰為Si—C的彎曲振動(dòng)峰，1175 cm－1處的吸收峰為苯環(huán)與酚羥基之間C—O鍵的伸縮振動(dòng)峰，1090和1030 cm－1處的吸收峰為Si—O—Si鍵的伸縮振動(dòng)峰，804 cm－1處的吸收峰為Si—C鍵的伸縮振動(dòng)峰，754 cm－1處的吸收峰為苯環(huán)上鄰二取代的特征峰.此外，1640 cm－1處鍵的伸縮振動(dòng)峰消失，而且在2250～2090 cm－1范圍內(nèi)并未出現(xiàn)Si—H鍵的伸縮振動(dòng)峰，說明烯丙基苯酚通過硅氫化已接枝在硅鏈上，并且反應(yīng)完全.

將BPF與SBPF的紅外譜圖（圖2）進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，BPF和SBPF分別在3318和3400 cm－1處出現(xiàn)了羥基O—H鍵的伸縮振動(dòng)峰；BPF在1600和1500 cm－1處出現(xiàn)苯環(huán)骨架特征峰，SBPF在1594和1495 cm－1處出現(xiàn)苯環(huán)骨架特征峰；BPF和SBPF分別在1210和1215 cm－1處出現(xiàn)了酚羥基C—O鍵的特征峰；在1385和1383 cm－1處出現(xiàn)了B—O鍵的特征峰；在755和754 cm－1處出現(xiàn)鄰位取代基的特征峰.BPF與SBPF的吸收峰位置基本一致，但在1090和1030 cm－1處，SBPF圖譜出現(xiàn)了一個(gè)寬強(qiáng)度吸收峰，而在BPF的紅外圖譜中并未出現(xiàn)此寬強(qiáng)度吸收峰，判斷此峰為Si—O—Si鍵的特征峰，與BPF圖譜中1095 cm－1處的芐羥基C—O鍵的弱吸收峰不同，說明Si—O—Si鍵已被引入到了硼酚醛樹脂中.此外，在SBPF譜圖中806 cm－1處的吸收峰也與BPF紅外譜圖不同，此峰為Si—C鍵的特征峰，從而進(jìn)一步證實(shí)硅氧烷鏈已被引入到硼酚醛樹脂中.

Fig．1 IR spectrum of Si?phenol（5）

Fig．2 IR spectra of BPF（a）and SBPF（b）

2.3 熱性能

圖3為PF，BPF和SBPF的TGA曲線，SBPF的TGA曲線表明，樹脂質(zhì)量在150～250℃這一階段有明顯的降低，開始釋放游離水、酚和醛，同時(shí)發(fā)生分子間的縮合交聯(lián)，形成亞甲基橋和醚鍵，并釋放出縮合水；當(dāng)溫度高于300℃時(shí)，進(jìn)入熱解與熱解產(chǎn)物的聚合階段，失重較少；當(dāng)溫度達(dá)到550℃以上時(shí)，失重顯著，發(fā)生熱分解和炭化，并釋放出水、二氧化碳、酚及苯類［8］.此外，在樹脂中引入的硅氧烷鏈段在高溫下也會(huì)發(fā)生熱解聚和熱氧化降解，生成小分子的環(huán)硅氧烷以及甲醛等小分子物質(zhì)，從而加速樹脂質(zhì)量的降低.

在相同測試條件下，在1000℃時(shí)，BPF的殘?zhí)悸蕿?8.5％，SBPF的殘?zhí)悸蕿?3.6％，而PF的殘?zhí)悸蕛H為40.2％.TGA結(jié)果說明，硅氧烷鏈對提高樹脂的耐熱性貢獻(xiàn)不大，反而會(huì)降低其在高溫條件下的耐熱性能，一方面原因在于，Si—O鍵鍵能為472.5 kJ／mol［9］，C—C鍵鍵能為334.72 kJ／mol［10］，而B—O鍵鍵能為774.04 kJ／mol，要遠(yuǎn)大于Si—O鍵鍵能.另一方面，在樹脂中引入的硅氧烷鏈段在高溫下發(fā)生熱解聚和熱氧化降解，從而降低樹脂高溫殘?zhí)悸剩瑫r(shí)硅氧烷鏈段的存在可能會(huì)阻礙樹脂固化時(shí)立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成，降低了交聯(lián)密度.

Fig．3 TGA curves of SBPF（a），BPF（b）and PF（c）

Fig．4 Char yield of SBPF with different Si?phenol contents at 800℃

2.4 硅氧烷改性苯酚含量對樹脂殘?zhí)悸实挠绊?/p>

本文考察了Si?phenol含量對樹脂高溫殘?zhí)悸实挠绊?將樣品置于800℃箱式電阻爐中燒蝕30 min后，其殘?zhí)悸实淖兓鐖D4所示.在未引入Si?phenol時(shí)，樹脂的殘?zhí)悸蕿?9.5％，結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生分解，樹脂本身展現(xiàn)出良好的耐熱性.隨著Si?phenol含量的增加，樹脂的殘?zhí)悸手饾u降低（表2），當(dāng)Si?phenol含量為10％時(shí)（Si?phenol?10），樹脂的殘?zhí)悸适?5.2％；當(dāng)Si?phenol含量為30％時(shí)（Si?phenol?30），樹脂的殘?zhí)悸拭黠@下降，僅為33.7％，低于PF（43.8％）.隨著Si?phenol用量的加入，樹脂結(jié)構(gòu)中引入的柔性鏈段比例增加，樹脂固化交聯(lián)的位阻增加，交聯(lián)密度降低；同時(shí)，Si?phenol的用量越多，硅氧烷鏈段在高溫下發(fā)生的熱解聚和熱氧化降解越明顯，殘?zhí)悸试降?因此，樹脂的耐高溫性能隨Si?phenol用量的提高而下降.當(dāng)Si?phenol的含量達(dá)到30％時(shí)，樹脂發(fā)生分相，不再具有耐熱性能.

Table 2 Char yields and mechanical properties of SBPF with different Si?phenol contentsa

2.5 力學(xué)性能

對不同Si?phenol含量SBPF的各項(xiàng)力學(xué)性能（包括剪切強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度以及沖擊強(qiáng)度）進(jìn)行測試，結(jié)果見表2.

圖5示出了不同Si?phenol含量的SBPF在室溫（r.t.）和200℃時(shí)的剪切強(qiáng)度變化曲線.可見，在室溫條件下，隨著Si?phenol含量的提高，樹脂的黏接性能變化不大.一方面是由于硅氧烷鏈的引入降低了樹脂的交聯(lián)密度［11］；另一方面，硼元素的引入可以有效地改善樹脂的黏接性能.此外，硅氧烷鏈會(huì)使樹脂的表面能下降，在一定程度上提高樹脂對黏接材料的浸潤能力，改善樹脂與黏接材料之間的界面性能，提高材料的力學(xué)強(qiáng)度，但相應(yīng)的作用機(jī)理和改善效果仍在探討中.在上述多種因素的共同作用下，樹脂的剪切強(qiáng)度變化不大，直至Si?phenol的含量大于25％時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生分相，樹脂的剪切強(qiáng)度顯著下降.

Fig．5 Shear strengths of SBPF with different Si?phenol contents at room temperature（a）and 200℃（b）

在200℃下測試樹脂的剪切強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，SBPF的剪切強(qiáng)度隨著Si?phenol含量的提高明顯下降，說明硅氧烷鏈對樹脂浸潤能力的改善無法彌補(bǔ)樹脂在高溫條件下耐熱性的驟降，這一結(jié)果與殘?zhí)悸实臏y試結(jié)果一致.

將SBPF與30～60目的軟木粒子按照一定比例混合，制備軟木樣條進(jìn)行沖擊和拉伸測試，進(jìn)而評價(jià)硅改性硼酚醛樹脂的力學(xué)強(qiáng)度和柔韌性.圖6（A）為SBPF的沖擊強(qiáng)度隨Si?phenol含量增加的變化曲線，可見SBPF的沖擊強(qiáng)度遠(yuǎn)高于BPF和PF，其中含Si?phenol?10的樹脂的沖擊強(qiáng)度達(dá)到0.81 kJ／m2，而未引入硅氧烷鏈的BPF和PF沖擊強(qiáng)度均低于0.1 kJ／m2.這主要是因?yàn)橐氲墓柩跬殒溨泻械腟i—O鍵鍵長較長，且Si—O鍵具有獨(dú)特的固有構(gòu)象柔順性［12］，因而樹脂的柔韌性得到改善.此外，當(dāng)Si?phenol含量超過15％時(shí)，樹脂的沖擊強(qiáng)度逐漸降低，此時(shí)硅氧烷鏈段對樹脂交聯(lián)結(jié)構(gòu)的阻礙作用更顯著.

Fig．6 Impact strengths（A）and tensile strengths（B）of SBPF with different Si?phenol contents

圖6（B）為SBPF的拉伸強(qiáng)度隨Si?phenol含量增加的變化曲線.可見隨著Si?phenol含量的增加，樹脂的拉伸強(qiáng)度呈“先上升?后下降”的趨勢，在含量為10％時(shí)出現(xiàn)最大值.這是由于當(dāng)Si?phenol含量較低時(shí)，硼元素對黏接性能的改善作用以及硅氧烷鏈段對樹脂界面性能的改善作用占主導(dǎo)，樹脂的拉伸強(qiáng)度略有提升.當(dāng)Si?phenol的含量超過10％時(shí)，硅氧烷鏈段對交聯(lián)結(jié)構(gòu)的阻礙作用更顯著，導(dǎo)致樹脂的拉伸強(qiáng)度降低.結(jié)合SBPF樹脂耐熱性和力學(xué)性能的測試結(jié)果，Si?phenol含量為10％時(shí)樹脂的各項(xiàng)性能達(dá)到最佳，該配比條件下的樹脂不但具有一定的耐熱性，其拉伸強(qiáng)度和室溫剪切強(qiáng)度較BPF得到改善，沖擊強(qiáng)度明顯提高.

3 結(jié) 論

通過Williamson醚合成、Claisen重排以及硅氫化反應(yīng)得到鄰羥基苯丙基硅油（Si?phenol），將其與苯酚以一定的比例混合，采用硼酸酯法合成了有機(jī)硅改性硼酚醛樹脂（SBPF）.1H NMR和FTIR結(jié)果表明，硅和硼元素以化學(xué)方法引入到SBPF的結(jié)構(gòu)中.TGA結(jié)果表明SBPF的耐熱性能優(yōu)于普通酚醛樹脂，1000℃時(shí)的殘?zhí)悸蔬_(dá)到63.6％.對比了不同含量Si?phenol對樹脂力學(xué)性能的影響，并探討了其作用機(jī)理.結(jié)果表明，當(dāng)Si?phenol的含量適中時(shí)（10％）時(shí)，樹脂不但具有一定的耐熱性，其拉伸強(qiáng)度和室溫剪切強(qiáng)度較硼酚醛樹脂也得到了改善，特別是沖擊強(qiáng)度明顯提高，綜合性能達(dá)到最佳.本文的研究結(jié)果對于進(jìn)一步設(shè)計(jì)新型的韌性耐高溫酚醛樹脂具有一定的參考價(jià)值.

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（Ed.：D，Z，A）

?Supported by the National Natural Science Foundation of China（No.21404100）.

Research on Silicone?modified Boric Phenolic Resin?

GUO Anru1，LI Jie1，LIU Chang2，XIAO Dehai2?
（1．Research Institute of Materials＆Processing Technology，Beijing 100076，China；2．Changchun Institute of Applied Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130022，China）

（2?Hydroxyphenyl）propyl silicone oil（Si?phenol）was obtained via Williamson ether synthesis，Claisen rearrangement，and hydrosilylation，and then was mixed with phenol.The silicone?modified boric phenolic resin（SBPF）was synthesized via borate esterifieation.The structure of SBPF was analyzed by means of1H NMR and FTIR，and the heat?resistance and mechanical performances of SBPF were characterized by TGA，shearing test，tensile test，and impact test.The effects of Si?phenol content on various performances of SBPF were investigated，and the mechanisms were researched.The result shows that the synthesized resin has good heat?resistance，and the introduction of appropriate proportion siloxane segments could improve its adhe?sive property and enhance its mechanical strength.

Phenolic resin；Silicon modification；Boric acid；Heat?resistance；Mechanical performance

O631

A

10.7503／cjcu20160662

2016?09?21.網(wǎng)絡(luò)出版日期：2016?11?15.

國家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號：21404100）資助.

聯(lián)系人簡介：肖德海，男，助理研究員，主要從事耐高溫黏合劑研究.E?mail：dhxiao＠ciac.ac.cn