基于香草醛的高性能阻燃环氧树脂的研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所) | 被引量 : 1次 | 上传用户:likelikeme
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环氧树脂是三大通用型热固性树脂之一,在涂料、胶粘剂、电子封装、复合材料等领域都具有广泛应用。然而占市场份额90%以上的双酚A环氧树脂(DGEBA)原料双酚A完全依赖于石化资源并且具有毒性。因此,以可持续、来源丰富的生物原料开发综合性能优异的生物基环氧树脂具有重大意义。“易燃”是环氧树脂乃至绝大部分高分子材料的通病,由于传统的卤素等阻燃体系严重危害环境和身体健康,其应用受到了很大限制,阻燃剂行业面临着要求转向更环保阻燃剂的压力。基于上述原因,本文主要完成了以下三点工作:(1)以第二大天然可再生资源木质素的平台化合物香草醛为原料,结合绿色的有机磷化合物,制备了两种香草醛基含磷自阻燃环氧树脂。克服了前人以香草醛制备环氧之前需将香草醛还原成香草醇或氧化成香草酸等需使用大量有毒有害还原剂和氧化剂的问题,采用绿色的一锅法将香草醛通过二元胺偶合同时与含磷化合物进行磷氢加成,以高产率(~93.3%)得到含磷香草醛基双酚,进而与环氧氯丙烷反应,得到了香草醛基含磷自阻燃环氧单体,采用FTIR、1H NMR、13C NMR等对其结构进行了详细地表征;(2)将得到的两种香草醛基环氧单体采用4,4’-二氨基二苯甲烷进行固化,同时使用双酚A环氧树脂进行对比。采用DSC、TGA、拉伸实验等对固化动力学、固化物玻璃化转变温度(Tg)、热降解行为及力学性能等进行了研究,采用垂直燃烧实验、极限氧指数测试表征了环氧树脂的阻燃性能,并通过SEM、ICP、XPS等对燃烧后炭层的研究探索阻燃机理;(3)将制备的香草醛基环氧单体作为添加型阻燃剂和聚磷酸铵(APP)共同添加到双酚A环氧树脂中,研究香草醛基阻燃环氧单体和APP的比例对双酚A环氧树脂阻燃性能的影响。研究结果表明:香草醛基阻燃环氧单体的固化活性与双酚A环氧相当。固化后,表现出很高的Tg(~214℃),拉伸强度(~80 MPa)和模量(~2709 MPa),远高于同样条件下得到的双酚A环氧树脂的Tg(166℃),拉伸强度(76 MPa)和模量(1893 MPa)。同时其阻燃性能优异,两种生物基环氧都达到了UL-94 V0工业阻燃级别,有限氧指数达到了~32.8%。通过热失重实验及对阻燃实验后炭层形貌及结构成分分析发现,其优异阻燃性的原因主要是:该类环氧树脂具有优异的膨胀成炭能力,同时形成的炭层非常致密,可以起到非常好的隔热隔氧作用,从而防止内部材料的进一步燃烧。将10份3:7,2:8和1:9的香草醛基环氧单体和APP的混合物添加到100份双酚A环氧树脂中时,环氧体系可以达到UL-94 V0级别,而只添加10份APP时,UL-94无级别,同时Tg下降明显。随着香草醛基环氧单体的加入,其Tg逐渐提高,甚至超过纯双酚A环氧树脂。
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