无卤阻燃环氧树脂复合材料简便制备方法与性能研究
环氧树脂（EP）具有良好的化学稳定性、机械性能、粘结性和电绝缘等优点，因此广泛使用在航空航天、电子封装、交通运输和建筑等领域。但是EP及其固化物属于易燃物品，且燃烧时释放大量的热和有毒的烟气，危害人们的生命安全和社会财产，限制了它在有阻燃需求场景的应用。目前，主要是选择添加型阻燃剂和反应型阻燃剂与EP复配或反应提高EP固化物的阻燃性能。添加型阻燃剂使用方便但是存在易迁移析出引起阻燃剂在环境中保留持久性、生物累积性和毒性以及阻燃材料阻燃逐渐衰弱的问题。本文以易得苯基膦酸（PPA）作为反应型阻燃剂与EP扩链反应制备一种含磷的环氧树脂EP-PPA，有效解决添加型阻燃剂分散性差、易于析出迁移和阻燃耐久性差等问题，主要研究内容和结果如下： （1）通过PPA与EP的环氧基的亲核开环反应，制备了一种PPA键合于环氧树脂主链的EP-PPA材料，采用傅里叶红外光谱、核磁共振（1HNMR、13CNMR和31PNMR）表征了EP-PPA的结构。以2,2-二氨基二苯基甲烷（DDM）为固化剂，将EP-PPA交联固化制备了EP-PPA固化物。当EP-PPA固化物中的PPA含量为10.6%时，EP-PPA10.6%固化物的极限氧指数（LOI）为30.5%，垂直燃烧试验达到UL-94V-0级。锥形量热（Cone）分析表明，EP-PPA10.6%固化物的热释放速率峰值（p-HRR）和总热释放值（THR）分别为356.0kW/m2和42.2MJ/m2，相比未阻燃的EP分别降低了60.3%和31.3%。EP-PPA10.6%固化物的火灾增长指数（FIG）和火灾性能指数（FPI）分别为2.97kW/m2s和0.104m2s/kW，与未阻燃EP相比，分别降低了66.9%和增加了62.5%。 （2）将聚磷酸铵（APP）复合于EP-PPA树脂中，再用DDM固化剂进行固化制备了APP复合EP-PPA材料（EP-PPA/APP)。PPA含量为8.7%的EP-PAA添加1.0%的APP复合材料（EP-PPA/APP①）、PPA含量为6.6%的EP-PAA添加4.0%的APP复合材料（EP-PPA/APP②）和PPA含量为4.8%的EP-PAA添加6.2%的APP复合材料（EP-PPA/APP③）都能顺利通过UL-94V-0级，LOI值比EP-PPA提高了0.5%-1.2%。Cone分析表明，与EP-PPA10.6%相比，EP-PPA/APP②和EP-PPA/APP③两种材料的p-HRR分别降低了34.3%和27.0%，THR分别降低了13.3%和12.3%，FIG值分别降低了37.0%和16.5%，FPI值分别增加了60.6%和62.5%。 （3）Cone分析表明，EP-PPA10.6%固化物的质量损失速率（MLR）、热释放速率（SPR）、总烟量（TSP）、一氧化碳（p-COP）和二氧化碳产率（p-CO2P）分别为9.54g/s?m2、0.202m2/s、18.4m2、0.026g/s和0.18g/s。与EP-PPA10.6%固化物相比，两种APP复合EP-PPA材料EP-PPA/APP②和EP-PPA/APP③材料的MLR、SPR、TSP、p-COP和p-CO2P均显著下降，其中EP-PPA/APP②材料分别下降了30.2%、44.1%、64.7%、53.8%和33.3%。 （4）动态热机械分析（DMA）表明，EP-PPA10.6%固化物的玻璃转化温度为124.3℃，储能模量（E''）和损耗模量（E''''）分别为12817MPa和1276MPa，最高保持温度约90℃。APP复合EP-PPA所得固化物的储能模量（E’）和损耗模量比EP-PPA10.6%有所降低，但是最高保持温度升高至110℃以上，APP复合EP-PPA后使材料使用温度范围向高温拓宽，Tg提高到133.0-148.7℃。 （5）选择金属氧化物CuO、Cu2O、TiO2和Al2O3以及蒙脱土（MMT）复配于EP-PPA环氧树脂（PPA含量10.6%）中制备了无机物复合EP-PPA复合材料，探讨了无机物对EP-PPA的阻燃性能和热性能的影响，筛选出不影响EP-PPA阻燃性能且能提升其玻璃转化温度（Tg）的材料。研究发现，除了Cu2O和Cu2O与MMT复合EP-PPA材料外，添加1%的其它无机物均不影响EP-PPA的阻燃性能。与EP-PPA固化物相比，在达到相同阻燃级别UL94V-0级时，复合无机物的阻燃材料LOI值增加1%-2%，Tg提高7℃左右。 （6）通过EP-PPA10.6%固化物的热失重和红外联用、数码照片和扫描电子显微镜（SEM）形貌等分析技术与方法，结合EP-PPA的阻燃性能、热失重分析（TGA）和Cone分析结果，EP-PPA固化物是以气相阻燃为主和凝聚相协同阻燃为辅的阻燃机理；EP-PPA复合APP以及无机物所得固化材料是以凝聚相阻燃为主和气相阻燃为辅的阻燃机理。
苯基膦酸改性环氧树脂;苯基膦酸改性环氧树脂复合材料;本征阻燃材料;阻燃性能
西华大学
硕士
材料科学与工程
刘治国
2022
中文
TQ323.5;TQ320.6
2022-11-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）