席夫碱基共价有机框架材料/含磷阻燃剂合成及阻燃环氧树脂研究

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环氧树脂(EP)具有优异的绝缘性能、力学性能、电气性能等优点,但其易燃性限制了其在建筑、航空航天及电气工程等领域的应用,同时对人身安全也造成了严重的威胁。因此,提高EP的阻燃性能十分必要。共价有机框架(COFs)是一种由轻质元素(C、H、O、N等)组成、共价键连接的二维或三维晶体多孔材料,具有密度低、比表面积大、孔隙结构均匀以及稳定性良好和表面官能团丰富等优点。本文制备了一种合成条件简单、热稳定性优异和成炭性良好的席夫碱基COFs材料,借助阻燃机制接枝9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)得到PCOFs杂化阻燃剂,改性聚磷酸铵(APP)得到APP@COFs材料,研究二者对EP火灾安全性能的影响。具体研究内容如下:第一部分,以1,3,5-三(四氨基苯基)苯和1,4-二醛基-2,5-二乙烯基苯为原料,在室温下一步合成了席夫碱基COFs材料。利用COFs材料表面反应型C=N双键,接枝DOPO得到PCOFs杂化阻燃剂。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、氮气吸脱附实验、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、热重分析(TGA)及粒径分析等手段对COFs和PCOFs的形貌、结构、化学组成及热稳定性进行分析。结果表明,COFs和PCOFs均呈现出粒径约为550 nm的球状形貌,且DOPO在COFs表面均匀分布并与COFs以P-C键相连。TGA结果表明PCOFs的热稳定性良好,其初始分解温度为331.1℃,800℃时残炭量高达61.2%,较高的残炭量有助于提高凝聚相的阻燃作用。将合成的PCOFs材料添加至EP中,探究其阻燃性能和力学性能。借助极限氧指数(LOI)和锥形量热仪(CCT)等对EP/PCOFs复合材料的阻燃性能进行分析。结果表明,仅添加0.5phr PCOFs的EP复合材料热释放速率峰值(PHRR)和烟释放速率峰值(PSPR)分别下降了48.3%和41.9%,同时显著抑制了CO和CO2的释放,说明PCOFs对于抑制EP的燃烧发挥了重要作用。通过SEM、FT-IR以及拉曼光谱(Raman)对CCT测试后的残炭进行分析,结果表明PCOFs有助于提高炭层的石墨化程度,从而减缓热辐射,阻止可燃气体及烟雾颗粒的释放。此外,PCOFs的加入对EP复合材料的力学性能影响不大,其中拉伸强度和断裂伸长率分别提高了10.3%和9.4%。第二部分,为了改善APP易吸水的性质以及与聚合物相容性较差的问题,利用COFs表面丰富的官能团结构和稳定性良好的优势,将COFs作为传统阻燃剂APP的表面改性剂,制备了APP@COFs材料,并通过溶液共混法制备了阻燃EP/APP@COFs复合材料。通过SEM、TEM和接触角仪对APP@COFs的形貌及亲疏水性能进行分析,结果显示,APP@COFs呈现核壳结构,且水接触角达到108.2°;通过FT-IR、XPS对APP@COFs的化学结构与组成进行分析,结果表明,APP@COFs中存在大量C元素,且COFs与APP以-NH3+-O-P-离子键桥连。将APP@COFs添加至EP中,EP复合材料具有较为优异的阻燃性能。当添加2phr APP@COFs时,EP/APP@COFs的LOI达到27.1%,且通过了垂直燃烧(UL-94)V-1等级。与纯EP相比,PHRR降低了54.7%。借助热重-红外联用、SEM及Raman测试研究阻燃机制,表明APP@COFs的催化炭化作用使EP在凝聚相中产生致密且稳定的炭层,抑制燃烧过程中的热量和质量的传递;同时在气相中产生水和氨气等不燃气体,稀释可燃气体的浓度,阻止火焰进一步蔓延。此外,EP复合材料的力学性能有所增强,其中EP/2phr APP@COFs的冲击韧性相对于EP提高了37.3%。综上所述,本工作合成了两种席夫碱基COFs/磷系阻燃剂,在低添加份数下实现了对EP的阻燃性能和力学性能的提升,为COFs基新型阻燃剂提供一种新的设计思路。
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