基于DOPO寡聚物阻燃剂的合成及阻燃环氧复合材料性能研究

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环氧树脂作为一种通用型的热固性树脂,是高分子材料中应用领域较为广泛的一类重要材料。固化后的环氧树脂具有良好的物理、化学性能,主要有粘接性强、绝缘性好、变形收缩率小、机械强度高、制作工艺简单、制品尺寸稳定性好、以及对碱及大部分溶剂稳定等特点。因而环氧树脂常作为涂料、浇铸料、模压料、胶粘剂、层压材料等用途,因而广泛应用于电子工业、航空航天、交通运输、建筑工程等领域。但是,通用型的环氧树脂属于易燃材料,在使用过程中容易受热燃烧,进而引发火灾,存在极大的安全隐患问题。因此,在许多领域内要求赋予环氧树脂阻燃性能。基于卤素阻燃剂对人体健康和环境的危害,以及添加型阻燃剂对环氧树脂性能的不利影响,开发设计具有高效阻燃性能的新型反应型阻燃剂及制备阻燃环氧复合材料已引起研究者们的广泛关注。  9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)是一种新型含磷杂菲结构的磷系阻燃剂,其结构中的P-H键较为活泼,可以和羰基、双键、环氧键等反应生成多种DOPO衍生物。这些衍生物同样具有阻燃作用,可作为反应型阻燃剂应用在环氧树脂的阻燃改性当中,以此提高环氧树脂的阻燃性能。本文基于此,利用DOPO分子设计性强以及阻燃性能好的特性,合成了两种基于DOPO寡聚物阻燃剂,并系统探究此反应型阻燃剂对环氧复合材料阻燃、热学和力学性能等的影响规律。  1.以DOPO、双酚A、多聚甲醛等为原料成功合成了反应型寡聚物阻燃剂PDAP,并制备了一系列含有PDAP不同质量分数的阻燃环氧复合材料。随着PDAP含量的增加,环氧复合材料的阻燃性能随之提高;在质量分数为30%时,LOI达到33.5%。热重分析(TGA)结果显示,PDAP降低了环氧复合材料的最大热降解速率,并且提高了其在800℃下的残炭量。利用示差热扫描量热仪(DSC)测量环氧复合材料的玻璃化转变温度,对比发现含量为20wt%时,复合材料的玻璃化转变温度达到最大为101.77℃。这是由于PDAP化学结构中存在大量刚性苯环结构,适量的刚性结构可以使得体系刚度增加,进而提高材料的玻璃化转变温度。并且此时环氧复合材料具有优良的力学性能。  2.选用含有羟基的4,4-二羟基二苯醚作为二苯醚基体,设计合成了基于DOPO的反应型寡聚物阻燃剂PDAE,并制备了一系列阻燃环氧复合材料。随着PDAE质量分数的增加,环氧复合材料的氧指数值也在增加,当质量分数为30%时,氧指数达到33.4%。TGA研究结果表明,与纯环氧树脂材料相比,含有30wt% PDAE的环氧复合材料的高温热稳定性明显提高。对比发现PDAE含量为20wt%时,材料的力学性能最佳;且PDAE的适量含量并不会降低环氧复合材料的力学性能。  3、引入离子液体1,3-二甲基咪唑六氟磷酸盐([DMIM]PF6),以进一步提高上述环氧复合材料的阻燃性能。分别在PDAP、PDAE质量分数为20%的环氧树脂体系中加入质量分数为5%的[DMIM]PF6,高温固化制备阻燃环氧复合材料。研究发现,[DMIM]PF6使得材料达到UL-94 V-0级别,提高了环氧复合材料的阻燃性能;同时延缓了材料的热降解时间,提高了环氧复合材料的热稳定性。但是,[DMIM]PF6的添加对环氧复合材料的力学性能产生了不利影响。
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