环三磷腈衍生物制备及阻燃环氧树脂研究

发布时间：2020-07-28 20:09

【摘要】：环氧树脂是一种重要的热固性树脂,具有优异的机械性能、强耐化学腐蚀性、耐热性和易加工等优点,使其广泛应用于粘合剂、层压板、电子封装和涂层等领域。然而,由于环氧树脂燃烧过程中有着耐火性差和产生大量烟雾的局限性,极大地限制了其在电气/电子设备中的应用。近年来,传统的卤系阻燃剂由于其环保和安全问题已经逐渐被无卤阻燃剂所替代。环三磷腈衍生物是无卤阻燃剂中的一种,具有无卤、高的磷氮含量和热稳定的磷腈环等优点,被广泛应用于阻燃环氧树脂、聚乳酸和聚丙烯等高分子材料。与此同时,由于六氯环三磷腈侧基含有特殊的活泼氯原子,使其能够引入不同的取代基,从而制备出不同结构的磷腈衍生物。本文通过引入不同的官能团,制备了三种结构的环三磷腈衍生物,并探索其阻燃环氧树脂的一系列性能。主要工作如下:1.以六氯环三磷腈和4-苯氧基苯酚为原料,制备出一种新型的六(双苯氧基)环三磷腈阻燃剂HCBP;其次,以六氯环三磷腈和联苯二酚为原料合成出一种桥连产物中间体BPD-BCP,并用苯酚进一步取代剩余氯原子,制备出一种新型的桥连环三磷腈阻燃剂BPD-BHP。最后,以六氯环三磷腈和聚乙烯亚胺(PEI)为原料,制备出一种聚磷腈阻燃剂poly(HCCP-co-PEI)。并通过熔点测试、傅里叶红外光谱(FTIR)、核磁共振谱仪(NMR)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和元素分析仪(EA)手段对阻燃剂进行了化学结构表征。2.将HCBP阻燃剂加入到DGEBA/DDM复合体系中,高温固化获得阻燃环氧树脂。通过差示扫描量热(DSC)测试对其热性能分析可知,随着HCBP阻燃剂的含量增加,阻燃环氧树脂的T_g轻微降低,说明HCBP表现出温和的塑化效应。热重分析(TGA)结果显示,阻燃剂HCBP本身具有较高的初始分解温度和残炭,与环氧树脂复配后提高了环氧树脂的残炭率和热稳定性。通过极限氧指数LOI、垂直燃烧测试UL-94和锥形量热(Cone)测试分析其阻燃性能可知,EP/9wt%HCBP复合材料的氧指数高达33.0%,燃烧时间缩短,并接近UL-94 V-0级别。EP/9wt%HCBP复合材料的热释放速率峰值(PHRR)、总热释放量(THR)、总烟产率(TSR)和总烟产量(TSP)等参数大幅度降低,表明HCBP阻燃剂能够降低环氧树脂的有效热释放和烟产量。使用热重红外连用(TG-FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散光谱分析仪(EDX)和拉曼测试(Raman)对阻燃EP的气相产物和残炭进行表征可知,在气相中,HCBP阻燃剂能够降低气相裂解产物的强度,在固相中能够形成富磷炭层,有效的阻止基体内外部热和氧的交换并提高阻燃效率。力学性能结果显示,EP/9wt%HCBP拉伸强度和拉伸模量相比于纯环氧(70.4MPa和586.8 MPa)分别提高了8.8%和17.5%。这可能是由于HCBP阻燃剂中含有大量刚性芳香环,提升了其强度。3.将桥连环三磷腈BPD-BHP阻燃剂加入到DGEBA/DDM固化体系中,高温固化获得阻燃环氧树脂。对阻燃剂和阻燃EP热性能进行分析可知,随着BPD-BHP阻燃剂含量的增加,阻燃EP的T_g值与纯环氧相近,说明BPD-BHP阻燃剂的加入没有恶化复合材料的玻璃化转变温度。热重结果显示,氮气下BPD-BHP本身具有较高热稳定性和残炭率。当加入到环氧树脂中后,明显提高了阻燃环氧树脂的成炭能力和热稳定性。阻燃性能测试表明,EP/9wt%BPD-BHP氧指数高达30.3%,并成功通过UL-94 V-1级。通过对阻燃EP的气相产物和固相残炭进行分析,得出BPD-BHP阻燃剂能够同时作用于固相和气相,降低环氧树脂的燃烧行为。力学性能结果显示,EP/9wt%BPD-BHP冲击强度相比于纯环氧(27.7 MPa)提高了7%。表明BPD-BHP阻燃剂能够在保证阻燃性能的同时,还能改善阻燃环氧树脂的力学性能。4.将聚磷腈阻燃剂poly(HCCP-co-PEI)加入到DGEBA/DDM复合体系中,高温固化获得阻燃环氧树脂。对其热性能分析可知,随着poly(HCCP-co-PEI)微球含量的增加,T_g值逐渐减小,表明纳米型阻燃剂的加入对环氧树脂的结构稳定性有小的影响。通过热稳定性分析可知,阻燃剂本身分解温度较低,残炭量较高,加入到环氧树脂中在一定程度上提高了环氧树脂的残炭率。根据阻燃性能测试结果可知,EP/3wt%FR中氧指数仅能达到27.0%,没有任何级别。为了探索阻燃剂的阻燃作用,对阻燃EP气相产物和固相残炭进行分析可知,poly(HCCP-co-PEI)微球同样具有催化成炭的作用,并且能够有效的降低可燃气体的强度,减少可燃气体的供应。但是燃烧测试仍需进一步重复探索。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ323.5
【图文】：

图1.1双酚A型环氧树脂结构式

形添加型阻燃剂 PDT（如图 1.2 所示），从而利P/N/Si 元素之间的协同效应，去评估 EP-PDT 复显示，PDT 的加入，提高了氧指数和残炭率，材料中的 PDT 自组装成纳米尺寸的颗粒，能够

（如图 1.3 所示），并应用于阻燃环氧树脂。结果表明，O透明性。在低的磷含量（1.6wt%）下，阻燃环氧树脂 LOI94 V-0 级。在力学性能方面，通过三点弯曲测试显示 ODM氧，表明 POSS 结构的引入提高了环氧树脂的阻燃性能，并。

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本文编号：2773386