有机膦酸本征阻燃环氧树脂的制备和性能研究
环氧树脂固化物具有优异的热稳定性、化学稳定性、胶粘性能和电绝缘性等被广泛应用于航空航天、交通运输、电子电器和风电叶片等领域，但由于纯环氧树脂固化物的易燃性，限制了它在有阻燃需求场合的应用。鉴于添加型阻燃剂不仅对基体性能有负面影响，而且因迁移析出引起阻燃剂在环境中存在持久性、生物累积性和毒性，本文以市场易得的原料合成了两个反应型阻燃剂，有效解决了添加型阻燃剂分散性差、阻燃效率低、易于析出迁移、阻燃耐久性差等问题，主要研究工作如下： （1）通过苯基磷酰二氯(BPOD)分别与2,2-二(4-羟基苯基)丙烷（BPA）和10-(2,5-二羟基苯基)-10-氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(ODOPB)反应，合成了两种反应型阻燃剂。一种是含有两个相同磷价态(＋3价)的苯基膦酸基团的反应型阻燃剂(BPH)，另一种是含两个不相同磷价态(＋1价和＋3价)的苯基膦酸基团和DOPO基团的反应型阻燃剂(ODPH)，分别采用傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、核磁共振(1HNMR、13CNMR和31PNMR)和质谱(MS)表征了两种阻燃剂的结构。通过BPH和ODPH分别与缩水甘油型环氧树脂（EP）的环氧基反应制备了两种含有阻燃基团的环氧树脂，采用4,4''-二氨基二苯甲烷(DDM)作为固化剂制备了两种无卤本征阻燃环氧树脂固化物EP-BPH和EP-ODPH。为了对比两种反应型阻燃剂的阻燃性能与阻燃效率，还以市场化的苯基膦酸(PPA)作为反应型阻燃剂与EP反应制备了本征阻燃环氧树脂固化物EP-PPA。 （2）采用极限氧指数(LOI)和垂直燃烧(UL-94）试验评估了EP-PPA、EP-BPH和EP-ODPH的阻燃性能，结果表明三种阻燃剂可以显著提升本征环氧树脂固化物的阻燃性能。PPA、BPH和ODPH含量分别约为10.6wt%（磷含量2.08%）、14.1wt%（磷含量1.81%）和1.6wt%（磷含量0.35%）的阻燃环氧树脂固化物（分别缩写为EP-PPA-10.6、EP-BPH-14.1和EP-ODPH-1.6）均能通过UL94V-0，没有熔滴，LOI值分别为30.5%、32.4%和35.5%。研究发现：①含有两种不同磷价态的ODPH本征阻燃环氧树脂固化物的阻燃效率最高，分子中含有两个膦酸基团的BPH比含有一个膦酸基团的PPA阻燃效率高。②将EP-PPA-10.6、EP-BPH-14.1和EP-ODPH-1.6浸于自来水中2个月后取出烘干，重新进行阻燃性能评估结果表明阻燃能力几乎不变仍然是UL94V-0级。③PPA、BPH和ODPH作为添加型阻燃剂使用制备阻燃环氧树脂固化物时，相同含量的阻燃剂阻燃环氧树脂固化物（分别缩写为EP/PPA/10.6、EP/BPH/14.1/TPP和EP/ODPH/1.6/TPP）的LOI值基本不变，但是阻燃性能降低一个等级，只能达到UL94V-1。 （3）锥形量热测试分析结果表明，三种阻燃剂可以明显降低本征阻燃环氧树脂固化物的热释放峰值(PHRR)和总热释放量(THR)。与纯环氧树脂固化物相比，EP-PPA-10.6的PHRR、THR和总烟释放(TSP)分别降低了50.6%、27.7%和25.8%；EP-BPH-14.1的PHRR和THR分别降低了39.5%和21.2%，但TSP上升了1.6%；EP-ODPH-1.6的PHRR、THR和TSP分别下降了22.1%和19.9%和6.4%。 （4）通过热失重分析(TGA)、热失重与FT-IR联用(TG-IR)、扫描电子显微(SEM)、拉曼光谱(Raman)以及X射线光电子能谱(XPS)等技术与方法分析了三种本征阻燃环氧树脂固化物EP-PPA-10.6、EP-BPH-14.1和EP-ODPH-1.6的阻燃机理。TGA分析结果表明三种本征征阻燃环氧树脂固化物和纯环氧树脂固化物一样主要经历了一步降解过程，与纯环氧树脂固化物相比，三种本征阻燃环氧树脂固化物残炭率均有提升，但EP-PPA-10.6和EP-BPH-14.1的初始分解温度提前了40℃以上，而EP-ODPH-1.6的初始分解温度只下降20℃。TG-IR和XPS分析结果表明，三种本征阻燃环氧树脂固化物不仅在气相组分中均含有类似的磷化合物，燃烧残炭中也含有磷。Cone试验后残炭的数码照片和SEM照片分析结果表明，三种本征阻燃环氧树脂固化物的残炭比纯环氧树脂固化物更完整，表面相对致密。Raman光谱分析结果表明，EP-PPA-10.6和EP-ODPH-1.6的ID/IG值比纯环氧树脂固化物的小，即EP-PPA-10.6和EP-ODPH-1.6残炭石墨化程度较高。综合分析结果表明EP-PPA-10.6和EP-ODPH-1.6是气相和凝聚相协同的阻燃机理，EP-BPH-14.1主要是气相阻燃为主凝聚相为辅的阻燃机理。 （5）采用动态热机械性能分析(DMA)结果表明，EP-PPA和EP-BPH会影响材料的加工温度，并使材料的玻璃化转变温度大幅度下降；而EP-ODPH与纯样的加工温度基本保持一致，并且能够维持甚至提升材料的玻璃化转变温度。 （6）力学性能测试结果表明，EP-ODPH-1.6的拉伸强度和冲击强度比纯环氧树脂固化物分别提高了5.7%和12.4%，研究发现ODPH以添加型阻燃剂制备的阻燃环氧树脂EP/ODPH/1.6/TPP的拉伸强度提高了6.8%，抗冲击性能下降了14.3%。
本征阻燃环氧树脂;反应型磷系阻燃剂;阻燃性能;阻燃机理;力学性能
西华大学
硕士
材料科学与工程
刘治国
2022
中文
TQ323.5
2022-11-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）