环氧树脂的有机—无机杂化阻燃改性
环氧树脂作为先进复合材料中最重要的热固性树脂之一，同时也是一种综合性能优良的复合材料基体，其具有粘结强度高、粘结面广、收缩率低、机械强度高、电绝缘性能优良、加工性能好等优点。然而，环氧树脂的易燃性使其受到了一定的限制。本文对环氧树脂的应用进展，阻燃改性原理，以及阻燃研究热点进行了综述；开展了新型有机-无机杂化阻燃剂的合成研究；探索了新型磷铝、磷硅、磷硅铝杂化阻燃剂在环氧树脂中的改性应用。旨在利用多种阻燃元素的协同效应以及对阻燃材料纳米结构的控制，获得高性能杂化阻燃剂并揭示其阻燃机理。论文主要开展了以下几个方面的研究：
1.利用二苯基次膦酸(DPPA)和氢氧化铝(ATH)进行水热反应，快速制备了一种新型的磷铝杂化纳米棒(APHNRs)。(1)FTIR、Raman、XRD、SEM及TEM表明ATH的晶体结构在水热反应中完全被破坏，同时生成了一种含有Al-O-P键的双齿桥联结构，且长程有序的棒状结构；(2)XRD显示2θ=22.0～25.0°之间所存在的芳基面对面π-π堆积作用为形成棒状形貌提供了重要的驱动力；(3)通过改变反应条件，利用SEM、XRD揭示了APHNRs的形成机理：“反应-组装-增长”的过程；(4)利用该机理成功制备了形状和尺寸可控的磷铝杂化纳米棒；(5)热重分析结果表明APHNRs具有较高的热稳定性和高温成炭率，显示了重要的纳米效应，因此有望被应用到聚合物的阻燃改性。
2.通过二苄基次膦酸(DBPA)和ATH在冰乙酸中进行反应，可以得到一种高度杂化的含磷铝纳米棒(AOPH-NR)。(1)利用FTIR、Raman、XRD、SEM和TEM对其结构进行了表征，结果表明和AOPH-NR结构和前面的APHNRs结构相似，形成机理相同；(2)热重分析结果表明AOPH-NR比ATH及其它磷铝杂化材料(AOPHs)具有较高的热稳定性和高温成炭率；(3)AOPH-NR在环氧树脂中能够获得较好的分散，促进树脂的固化，提高固化物的机械性能；(4)燃烧性能研究表明AOPH-NR可以促进固化物的提前降解，从而提高成碳率。仅需引入4.25 wt％的AOPH-NR就可以使环氧固化物的LOI值提高到28.0，热释速率降低23％，点燃时间被延长到79秒，这些性能对火灾中人员疏散具有特别重要的意义。
3.利用3，9-二氯-2，4，8，10-四氧杂-3，9-二磷杂螺环-3，9-二氧[5，5]十一烷(SPDPC)和二苯基二硅醇发生缩聚反应，制备了一种新型的含磷硅杂化高分子型阻燃剂(SDPS)，并利用FTIR、1HNMR及13CNMR对SDPS进行了结构表征。(1)TGA、EDX、FTIR及TG-IR联用对SDPS的热分解机理研究表明SDPS不仅能分解促进交联并成炭的组分，而且能生成无机含硅材料；(2)对比含双螺环磷氮协同阻燃剂(SPDM)，SDPS虽然能够减缓固化物初期的热分解，但其高温成碳率不高。而SDPS和SPDM的协同能够同时发挥了二者的气相阻燃行为和凝聚相阻燃行为；(3)利用SEM和Raman对残余炭进行表征，发现在宏观上，SDPS和SPDM的协同有利于固化物生成一种蜂窝状结构、且较厚的凝聚炭，进而阻止热量和氧气在燃烧层和基体之间的传递；在微观上，固化物的残余炭具有更小的微观尺寸，进而提高热屏蔽效率。(4)SDPS能均一地分散于固化物的网络结构中，加之Si-O-Si基团的作用，对复合材料起到了增韧作用，因此可以有效改善传统膨胀阻燃环氧树脂的机械性能。
4.利用利用3，9-二氯-2，4，8，10-四氧杂-3，9-二磷杂螺环-3，9-二氧[5，5]十一烷(SPDPC)和二苯基二硅醇的缩聚物(SDPS)对氧化铝进行表面接枝改性，制备了一种新型的含磷/硅/铝杂化阻燃剂(SAlu)。(1)FTIR、Raman、XRD、SEM和NanoZS等对SAlu的表征显示，SDPS可以有效接枝到氧化铝表面，同时使粒径变大；(2)TGA结果表明SPDS在氧化铝表面的接枝率可达40％以上；(3)耐热及燃烧性能研究表明，SAlu可以有效提高环氧固化物的热稳定性和高温成碳率；SAlu能够促进固化物在高温下陶瓷-炭焦化，并生成内部为多孔形貌的结块，从而隔绝易燃物、热量和氧气，提高固化物的抗燃性；(4)SAlu能均一地分散于固化物的网络结构中，并通过韧化机理提高固化物的弹性形变能力和玻璃化转变温度。
环氧树脂;阻燃改性;机械性能;氢氧化铝;二苯基次膦酸
西南科技大学
硕士
材料学
杨军校;黄亚文
2012
中文
TQ323.5
117
2012-12-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）