一种磷系阻燃剂的合成及碳纤维表面改性研究
碳纤维增强环氧树脂复合材料具有质轻高强、收缩率低、优异的粘接性能等特点，广泛应用于民用工业、能源技术和航空航天等领域。然而环氧树脂在高温下的分解燃烧及有害烟雾的产生，对其应用提出了严峻的挑战。因此必须施行一定的方法对复合材料进行阻燃改性以满足应用需求。目前大多数阻燃改性方法或损害复合材料的力学性能，或者制备加工较为复杂。本文合成了一系列硅烷改性的含磷阻燃剂，并以上浆涂覆的方式用于纤维表面阻燃改性，期望制备优异阻燃性能与界面性能兼具的复合材料。 本文以一种结构简单的含磷活性胺N-N'-N"-三（2-氨基乙基）磷酸三酰胺(TEDAP)为结构基础进行后续硅烷化改性阻燃剂的合成。首先通过磷酸三酰胺(TEP)的转酰胺化反应合成TEDAP(T)，控制合成条件并制备聚合程度不同的两种产物T1及T3。之后以TEDAP和环氧硅烷偶联剂(KH560，K)为原料，通过改变T的聚合程度及T与K的摩尔比制备一系列硅烷改性的磷系阻燃剂T-K。通过热重分析(TG)表征T-K薄膜的耐热性能，具有更高K比例的T-K薄膜失重10％对应的温度较低比例产物增加18.9-21.8℃，最大热失重速率峰对应的温度右移15-21.3℃。 制备了一系列不同的T-K上浆剂并涂覆处理碳纤维表面，采用电导率分析法确定了上浆剂水解工艺参数中水解时间为60min，甲醇含量为15％。结合纤维表面上浆量及层间剪切强度(ILSS)分析确定T-K上浆剂浓度的适宜范围是3-5％。采用手糊工艺制备T-K改性的纤维增强环氧树脂复合材料，探究上浆剂浓度及T-K阻燃剂分子结构（由T聚合程度及T与K比例决定）对纤维及复合材料表面/界面性能和阻燃性能的影响。通过扫描电子显微镜(SEM)、扫描电镜-X射线能谱元素面分布综合分析技术(EDS-Mapping)和X射线光电子能谱(XPS)对T-K涂覆后纤维表面形貌、元素分布和元素含量进行分析。结果表明T-K上浆剂浓度为5％时能够在纤维表面形成均匀的涂层，且随K比例的增加，纤维表面Si含量从3.42％上升到5.77％。通过电子万能材料试验机对T-K涂覆后纤维的单丝拉伸强度、复丝拉伸强度/模量以及相应复合材料的ILSS进行测试。结果显示具有高聚合程度的T及低比例K的阻燃剂T-K的应用使得复合材料保持良好的界面性能，ILSS为61.1MPa，单丝拉伸强度为4.53±1.16GPa，复丝的拉伸模量为380GPa。通过TG及极限氧指数测试(LOI)分别对T-K涂覆后的纤维及相应复合材料进行表征，具有高聚合程度的T及高比例K的阻燃剂T-K使得纤维及复合材料具有更好的耐热及阻燃性能。纤维失重5％时对应的温度从处理前的450℃显著上升至780℃，相应复合材料的LOI从34％上升至46％。此外，根据构建的分子模型直观地说明了阻燃剂T-K的分子结构对复合材料界面及阻燃性能的影响。
碳纤维;表面改性;磷系阻燃剂;阻燃性能;界面性能
北京化工大学
硕士
材料工程
田艳红;高峰阁
2020
中文
TQ342.742;TQ340.471
2020-11-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）