含氮磷无机固化剂及本征阻燃环氧树脂研究

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环氧树脂(EP)因其优异的综合性能,已被用于各类产品。但是,其易燃性限制了它在高端产业的应用。我国在普通EP材料方面供大于求,但是高端的阻燃EP材料仍然依赖于进口。因此,提高EP的阻燃性能是其发展的重中之重。氢氧化镁(MH)为优良的无机阻燃剂,由于其价格低廉、绿色环保等优异特点被广泛用于各类聚合物材料中;但由于其添加量大,影响了聚合物的力学性能而被限制使用。本论文基于此原因,通过对MH有机功能化改性,设计了一系列功能化氢氧化镁无机固化剂,这一系列的固化剂在改善了材料机械性能的同时达到了阻燃效果。通过红外(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)和扫描电镜(SEM)对这三类固化剂结构表征和形貌分析。通过替代部分有机固化剂,制备得到本征阻燃环氧树脂材料。利用热重分析(TG)、极限氧指数(LOI)、锥形量热测试、垂直燃烧等级测试(UL-94)和力学性能测试等考察了材料的热稳定性、阻燃性能及机械性能。具体内容如下:1.通过二乙醇胺,磷酸功能化MH,得到具有阻燃效果的无机固化剂(DEAPM)。以DEAPM替代部分有机固化剂二乙烯三胺(DETA),制备了本征阻燃环氧树脂材料(DEAPM/EP)。当添加15 wt%DEAPM和5 wt%聚磷酸铵(APP)时,UL-94测试可以达到V-1等级,其LOI能达到25.5%。与EP相比,其峰值热释放速率(p HRR)降低了74.2%;峰值烟生成速率(p SPR)降低了61.8%。通过热稳定性分析,该材料的残炭率由6.8%提升到19.6%,提高了188.2%。2.通过三乙醇胺和磷酸制备中间体改性MH,并与三聚氰胺进行反应,制备了含氮磷元素的无机功能固化剂(TRPAM-MEL);用TRPAM-MEL替代部分有机固化剂DETA,共同用于固化环氧树脂预聚物,最终合成了一系列的本征阻燃材料(TRPAM-MEL/EP)。结果证明:EP/20 wt%TRPAM-MEL与EP相比,20 wt%TRPAM-MEL/EP材料的p HRR和p SPR分别降低了75.7%和57.1%,LOI的值达到26.0%,并且UL-94测试通过了V-0级。其峰值CO2生成速率(p CO2PR)和峰值CO生成速率(p COPR)分别降低了67.2%和74.5%。其弯曲强度提升了79.9%,弯曲模量提升了61.2%。3.通过哌嗪和磷酸功能化改性MH,合成了一种功能化无机阻燃固化剂(PPAPM)。将该无机固化剂替代部分有机固化剂,制得本征阻燃环氧树脂材料(PPAPM/EP)。当添加16 wt%PPAPM和5 wt%APP时,UL-94测试可以达到V-1等级,且LOI能达到26.0%。其p HRR和p SPR分别降低了76.6%和73.0%,同时COPR和CO2PR分别降低了77.3%和77.4%。通过热重分析,材料在800℃时的残炭率由9.2%提高到19.8%,提高了115.2%。
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