磷杂菲类阻燃剂的设计及其协同阻燃改性环氧树脂复合材料的性能研究
为了研究低毒性且绿色环保的无卤阻燃剂在环氧树脂复合材料的阻燃性，多元素乃至纳米材料协同阻燃剂已然是目前研究的热点与难点。其中磷-氮阻燃剂因其低烟、低毒的特点成为最占优势的阻燃剂。而无论是通过添加还是反应的方式引入纳米材料，在极少量纳米材料改性聚合物阻燃性的情况下，都可以让聚合物、复合材料具有一定的阻燃性能甚至更高于其本身。本文以磷酸酯为基础通过两步法设计合成一种甲氧基磷杂菲类聚合物型阻燃剂。再将新型磷系阻燃剂、含氮阻燃剂以及石墨烯纳米材料（Graphene）复配成协同类型阻燃剂，分别构筑磷、磷/氮、磷/石墨烯、磷/氮/石墨烯四种改性环氧树脂阻燃体系，研究其阻燃性能、热稳定性能、力学性能、热裂解物质与残留物质等。并根据以上研究分析，初步探讨其阻燃机理，为磷系、磷-氮以及纳米复合材料的研究提供新思路、新视角。本文的研究内容大概如下： (1)以三氯氧磷、对甲氧基苯酚、10-(2,5-二羟基苯基)-10-氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(ODOPB)为原料合成阻燃剂甲氧基苯氧基磷酸-2-10-氢-9-氧杂-磷杂菲基对苯二酚酯阻燃剂(MODOP)，探究阻燃剂MODOP合成的最佳温度条件以及比例。通过红外光谱、1H NMR、31P NMR、13C NMR以及XPS对阻燃剂的结构进行表征分析。利用热重分析研究阻燃剂MODOP的热稳定性，热重实验结果表明，MODOP在328℃开始分解，在700℃时残炭量为33.0%，与由本实验室报道的阻燃添加剂相比，MODOP拥有较好的热稳定性和炭化能力。 (2)将制备的MODOP阻燃剂与聚磷酸铵(APP)进行复配(质量比1:2)，通过垂直燃烧测试(UL-94)、极限氧指数的测试(LOI)、锥形量热测试(CONE test)对环氧树脂的阻燃性能进行研究分析；万能试验机测试改性环氧树脂的拉伸性能；热重、热重红外联用检测样条的热稳定性之外还可以分析样条的热裂解情况。以上结果显示，MODOP添加量达到10wt%时，氧指数都是呈上升趋势，相对于纯EP上升18.9%，垂直燃烧就能达到V-0等级；而MODOP/APP添加量达到20wt%时，氧指数达到34.5%，相对于纯EP上升了42.6%。改性EP的av-HRR和PHRR都呈下降趋势，特别是当加入15wt%MODOP/APP时，其与纯EP的PHRR值相差615.0kW/m2，下降了65.9%。从热重数据结果来看，在700℃的时候，纯EP的残炭率16.5%，随着MODOP以及MODOP/APP复配阻燃剂的增多，残炭率最高可达到30.0%。通过TG-IR发现，复合材料在受热分解时会释放出磷酸酯、N-H的特征吸收峰。 (3)将MODOP、APP和石墨烯复配对环氧树脂进行阻燃改性研究。结果表明，1.0wt%的石墨烯就可以让环氧树脂的LOI值与5wt%MODOP-EP的LOI值达到一样。在添加量为20wt%时，GR/MODOP/APP-EP的LOI值为34.7%与纯EP相比上升了43.0%，UL-94达到V-0级别。从PHRR、HRR、THR以及各参数相比较，经过改性添加的EP成炭效果好，阻燃性能优良，有助于降低火灾风险。从热分析结果相比较，MODOP/GR比GR/MODOP/APP更有助于促进EP成炭，维持高温下的热稳定性。TG-IR上一些官能团的强度在加入石墨烯或者APP后，C=O，C-O-C以及芳香族化合物明显降低，说明阻燃剂的添加可使有毒气体减少或者炭层的增加可阻碍有毒气体外溢。XPS和拉曼分析结果表示两种体系气相阻燃机理占主导地位而凝聚相阻燃机理配合气相起到阻燃作用，由此可见气相和凝聚相协同阻燃可以提高EP阻燃性能。
环氧树脂复合材料;阻燃改性;磷杂菲类阻燃剂;石墨烯纳米材料;阻燃性能
贵州师范大学
硕士
化学;分析化学
班大明
2020
中文
TQ324.8;TQ320.6
2020-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）