磷—硼杂化聚合物环氧树脂复合材料阻燃性能研究

发布时间：2020-08-10 07:14

【摘要】：以硼酸双甘油酯(DGB)和二氯磷酸苯酯(PDCP)为原料,通过逐步聚合得到端羟基磷-硼杂化聚合物(PBHP);PBHP、环氧树脂(EP)及固化剂共混体系经模具浇注交联,制备磷-硼元素共杂化环氧树脂阻燃复合材料(PBHP/EP);蒙脱土(MMT)、PBHP、环氧树脂及固化剂共混体系经模具浇注交联,制备了PBHP-MMT/EP阻燃复合材料。采用FT-IR、NMR和GPC对PBHP的分子结构及分子量进行了表征。采用TG、LOI、水平垂直燃烧实验、烟密度测试仪及微型量热仪对PBHP/EP和PBHP-MMT/EP阻燃复合材料的热稳定性、阻燃性能及烟释放能力进行了测试分析,利用SEM、XPS表征了燃烧炭层形貌及阻燃机理,通过Flynn-Wall-Ozawa(FWO)理论计算法计算了反应热解活化能(E_a),考察了热解反应的难易程度。研究了PBHP及PBHP-MMT体系对环氧树脂复合材料的阻燃性能和力学性能的影响。研究结果表明:随着PBHP质量分数的增加,材料的残重率、LOI、UL-94等级提高,总热释放量(THR)、热释放速率峰值(PHRR)、烟密度等级和断裂伸长率降低,拉伸强度先增大后减小。当加入质量分数为15%的PBHP时,在空气和N_2氛围下,残重率分别为10.19%、11.81%,LOI达到28.3%,UL-94为V-0级,THR和PHRR分别降低至23.64 k J·g~(-1)、177.33 W·g~(-1),烟密度等级达到54;复合材料的E_a随转化率增大而升高;材料燃烧炭层表面平整致密,XPS显示有多聚磷酸盐、BPO_4、B_2O_3和B_4C等耐热材料覆盖于炭层表面;拉伸强度为35.21 MPa,断裂伸长率为2.42%。随着MMT的引入使得PBHP-MMT/EP复合材料的THR、PHRR和烟密度等级降低,同时材料的残重率、LOI和UL-94等级增大,拉伸强度和断裂伸长率先增大后减小;当10wt%PBHP/EP中添加质量分数3%的MMT时,烟密度等级降低至46.2;LOI达到29.1%,拉伸强度为47.94 MPa,断裂伸长率为5.35%;复合材料的E_a随转化率增大而升高。综合分析表明:PBHP受热分解为多聚磷酸盐、BPO_4,催化基体材料成炭,同时分解生成黏稠玻璃态的B_2O_3和B_4C,基体炭、B_4C与B_2O_3形成隔离层阻止了材料的深度燃烧和烟雾释放;PBHP-MMT较PBHP具有明显的协同阻燃和抑烟效果,且少量MMT有利于提高材料的综合力学性能。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ323.5;TB332
【图文】：

的阻燃展开研究，首先通过燃烧三角理论考察可材料的燃烧机理探究阻燃机理，并对环氧树脂的识。理论杂的物理化学过程的综合，是可燃物与助燃物（反应，通常伴随有光和热等物理现象的发生以及烧与其他可燃物一样，需要具备三个必要条件：其他氧化剂剧烈反应的物质，大多是含 C、H 元素物发生氧化反应，帮助、支持燃烧的物质，一般指 O可燃物与助燃物发生燃烧反应的能源，常为热能图 1.1 所示[10]。只有同时具备这三个基本条件，燃任何一个条件的缺失，燃烧将不会发生或被终止

Table 3.7 Smoke density test data of PBHP/EPSamples Maximum value of smoke density/% Smoke density levelEP 100.0 64.15wt%PBHP/EP 96.4 57.110wt%PBHP/EP 90.8 55.215wt%PBHP/EP 84.5 54.0由图表可得，纯 EP 的最大烟密度值（SMD）和烟密度等级分别为 100.0、64.1；随着 PBHP 质量分数的增加，PBHP/EP 的 SMD 和烟密度等级逐渐减小；当阻燃剂质量分数为 15%时，复合材料的 SMD 和烟密度等级分别降低至 84.5 和 54.0，说明 PBHP 的加入降低了材料的 SMD 及烟密度等级，可能由于硼玻璃炭层的阻隔作用，抑制了部分小分子挥发及不稳定炭层的二次分解扩散，从而抑制烟雾的扩散和传递，因此起到了抑烟效果。3.3.3 PBHP/EP 复合材料的燃烧炭层形貌图 3.4 为 EP 和 PBHP/EP 复合材料灼烧后的炭层表观形貌。

图3.7 PBHP/EP复合材料阻燃机制示意图Fig.3.7 Flame-retardant mechanisms of PBHP/EP composites3.3.5 PBHP/EP 复合材料力学性能表征图 3.8 为 PBHP/EP 的力学性能测试结果。0 1 2 3 4 5 6 710203040(a)Stress/MPaStrain/%EP5wt% PBHB/EP10wt% PBHB/EP15wt% PBHB/EP0 5 10 1534353637383940Modulus/GPaStress/MPaMass fraction of PBHB/%(b)0.81.01.21.41.61.82.0

【参考文献】

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本文编号：2787754