以季戊四醇为基的双环笼状磷酸酯及其衍生物兼具丰富的碳源和酸源,与有机硅化合物配合使用可发挥良好的协同阻燃效应,因此含双环笼状磷酸酯有机硅氧烷的合成和应用备受研究者的关注。本论文由季戊四醇和三氯氧磷出发,再结合直接由SiO2低温非碳热法制备的高活性五配位硅,合成了一种新型阻燃剂——双环笼状四配位硅(CPQS)。进一步利用CPQS在四甲基氢氧化铵的催化作用下水解缩合得到具有八个双环笼状磷酸酯取代基的笼状倍半硅氧烷(CBPS);并将合成的这两种硅氧烷应用于环氧树脂中,研究了改性后环氧树脂的组成、结构与性能之间的关系。 借助FT-IR、NMR、MS、XRD和TGA等方法对CPQS和CBPS的结构进行了表征与分析,论证了合成条件对合成产物结构和收率的影响,提出了产物制备的合理条件和路线。首次将阻燃性能良好的双环笼状磷酸酯有机结合在硅氧烷上,由于受到庞大笼型磷酸酯基的空间效应作用,明显减轻了CPQS的吸潮性,同时还具有优异的热稳定性和成炭性。实验证明,CPQS在环氧树脂中具有优良的阻燃性能,添加2wt％的CPQS能使环氧树脂达到UL-94V-0级。并通过TGA、FT-IR、XRD和XPS等方法研究了磷、硅和氮之间协同阻燃的作用机理,磷酸酯官能团能催化炭层的形成,硅氧烷受热分解得到的硅酸盐网络能提高富磷炭层的稳定性,胺经脱氢而形成的氮杂环芳烃能与磷酸酯反应生成半固态的磷氮化合物,使环氧树脂的热稳定性能和阻燃性能得到了很好的改善。 CBPS具有固化环氧树脂的功能,通过FT-IR、DMA、SEM等方法对CBPS固化环氧树脂的微观结构进行了分析,结果显示倍半硅氧烷的纳米核心笼状结构依旧存在于固化后环氧树脂中,具有高交联微球分散于低交联基体中的无规则网络结构。CBPS固化环氧树脂兼具磷酸酯官能长脂肪碳链的柔韧性与球形SiO2内核无机组分的刚性和强度,能同时提高固化后环氧树脂的力学性能、黏结性能、阻燃性能、化学稳定性、耐候性和耐磨性等,有望应用于有机硅/环氧树脂耐磨涂料、汽车工业中湿金属的胶黏剂等领域。 分子内磷硅复配阻燃体系兼有多种阻燃剂的特性,如无卤,催化阻燃,抑制凝聚相的氧化反应,高效气相阻燃和形成有效的焦炭层等特征,为合成材料的阻燃开辟了广阔前景。多功能环氧树脂固化剂的开发和使用可以同时解决环氧树脂应用中多个方面的问题,相当于开发几种新的环氧树脂或开辟了环氧树脂几个新的用途。以占地壳约87％的SiO2直接合成有机硅化合物,无需受制于传统有机硅生产时的高温碳热还原和昂贵的卤化防腐设备,通过改变与活性五配位硅相反应的化合物,能简便灵活地达到以功能为导向进行分子结构设计的目的,让有机硅单体接上特殊结构的活性官能团,有利于增加有机硅产品的种类和拓展有机硅的应用领域。