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吹熄阻燃环氧树脂机理及应用研究

作　者: 张文超
导　师: 杨荣杰
学　校: 北京理工大学
专　业: 材料学
关键词: 阻燃环氧树脂吹熄效应 POSS 硅磷协同
分类号: TQ323.5
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

中国阻燃工业在过去30年中获得快速发展，研究人员对于阻燃剂、阻燃材料和阻燃机理等方向的研究越来越深入和全面，并在国际相关领域扮演着更加重要和关键的角色。目前，随着人类对于环境保护和自身健康问题的关注，关于高效、廉价、成熟的含卤阻燃剂的应用遇到了无法解决的问题。因此，无卤阻燃剂的开发和应用目前已经成为了世界阻燃领域关注的焦点。本论文的选题是将9,10-二氢-9-氧杂-10-膦菲-10-氧杂（DOPO）和笼型低聚硅倍半氧烷（POSS）结合用于阻燃环氧树脂，以发挥磷、硅两种阻燃元素的协同作用。研究焦点包括：首先合成了一种新型无卤阻燃剂DOPO-POSS，并从DOPO-POSS阻燃环氧树脂所表现出的吹熄阻燃效应开始，对吹熄阻燃环氧树脂机理进行了详细研究，吹熄阻燃环氧树脂效应是环氧树脂在燃烧过程中快速形成炭层，在很短的时间内，开始有热解气体从炭层内部高速喷出，并熄灭残留火焰的现象。本文的研究为无卤阻燃环氧树脂的研究开辟了一个崭新的方向。（一）本论文以9,10-二氢-9-氧杂-10-膦菲-10-氧杂（DOPO）和VTES（乙烯基三乙氧基硅烷）为原料，通过两步法成功合成了含有DOPO基团的笼型低聚硅倍半氧烷DOPO-POSS。该物质及其合成方法已经获得专利授权。将DOPO-POSS作为一种新型阻燃剂应用于阻燃环氧树脂时发现了吹熄阻燃效应，基于这种吹熄效应，硅、磷阻燃元素的阻燃效率可以显著提高。为了对吹熄阻燃环氧树脂机理进行详细研究，作者将所在实验室合成的八苯基笼型低聚硅倍半氧烷（OPS）、八氨苯基笼型低聚硅倍半氧烷（OAPS）、梯型聚苯基硅倍半氧烷（PPSQ）等硅倍半氧烷系列阻燃剂单独或与DOPO复配用于阻燃环氧树脂。研究发现，虽然OAPS可以与环氧树脂单体进行反应，但它与非反应型的OPS相比，并没有表现出特殊的阻燃性质，它们与DOPO复合使用都可以使该种环氧树脂出现吹熄阻燃效应，相比较而言，OPS具有更高的阻燃效率，更有益于吹熄阻燃效应的发生。笼型的OPS和OAPS都可以使环氧树脂出现吹熄阻燃效应，但是含有梯型PPSQ的环氧树脂中却没有吹熄现象发生。这是因为由PPSQ所引起的交联结构和成炭的过程不能与环氧树脂本身的炭层膨胀过程相匹配，所以导致其炭层多为破裂炭层。这样的炭层不能聚集热解气体，所以该体系中没有吹熄效应出现。而由OPS引起的交联结构和成炭的过程却与EP炭层的膨胀过程很好的匹配，该结果说明，只有当炭层强度与热分解气体释放速率相匹配时，才能发挥最好的吹熄阻燃效果。（二）本论文研究所涉及的环氧树脂单体包括双酚A二缩水甘油醚（DGEBA）和四缩水甘油基-4,4’-二氨基二苯甲烷（TGDDM），所涉及的固化剂包括芳香族固化剂4,4-二氨基二苯基砜（DDS）、间苯二胺（m-PDA）和脂肪族固化剂低分子量聚酰胺（PA650）。在DGEBA/m-PDA、DGEBA/DDS、TGDDM/DDS环氧树脂体系中发现了吹熄阻燃效应，而DGEBA/PA650体系中，吹熄效应却始终没有出现。这说明环氧树脂单体和固化剂的结构对吹熄阻燃效应有很大影响。通过对比DGEBA/DDS和DGEBA/PA650两种环氧树脂的交联网络结构与吹熄阻燃效应的关系，发现含有较多芳香链段的环氧树脂体系更有利于形成吹熄阻燃效应。因为在这样的环氧体系中，更容易快速形成高强度的交联炭层，这一炭层可以聚集热分解气体并最终形成吹熄效应。在TGDDM/DDS环氧树脂中，发现了最为典型的吹熄阻燃效应。DOPO-POSS和OPS/DOPO都可以使该环氧树脂表现出突出的吹熄阻燃效应，并使该环氧树脂体系获得优异的阻燃效果。UL-94垂直燃烧结果显示它们都可以使该环氧树脂达到UL-94V-0级。OPS/DOPO阻燃的TGDDM/DDS环氧树脂在凝聚相中出现了蜂窝状膨胀炭层，而且炭层中含有大尺寸空腔，这样的结构使OPS/DOPO阻燃的TGDDM/DDS环氧树脂表现出了更强的吹熄阻燃效应。（三）本论文采用热重分析-傅里叶红联用（TGA-FTIR）、热重分析-质谱联用（TGA-MS）、X射线光电子能谱仪（XPS）、X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、热重分析仪（TGA）、示差扫描量热仪（DSC）、傅里叶红外光谱仪（FTIR）、应力流变仪等测试手段对阻燃材料及其燃烧产物（气相和凝聚相）进行定性或定量分析。采用锥型量热法（cone calorimeter）、极限氧指数法（LOI）和垂直燃烧法（UL-94）等方法对阻燃材料进行阻燃性能和燃烧过程进行分析研究。除了采用以上常规测试手段和实验方法外，为了研究吹熄阻燃效应的阻燃机理，作者在本文第5章中采用了自己设计的两种实验方法对吹熄阻燃环氧树脂效应进行了研究。第一种方法是对环氧树脂在锥形量热测试燃烧过程中不同时间和不同位置的炭层进行了取样和研究，通过分析这些炭层样品，我们基本掌握了纯环氧树脂及阻燃环氧树脂在燃烧过程中外部、内部和底部炭层的化学结构变化和阻燃元素含量变化情况。第二种方法是将热电偶固化在环氧树脂中，该方法使我们掌握了普通环氧树脂和吹熄阻燃环氧树脂在UL-94垂直燃烧过程中的凝聚相温度的变化情况。这两种实验方法为吹熄阻燃机理的研究提供了不可或缺的数据和材料，文中所采用的测试手段及实验方法详见各章实验部分。（四）本论文中所涉及的吹熄阻燃环氧树脂机理研究包括：（1）采用自己设计的实验方法对纯环氧树脂（EP）及阻燃环氧树脂在燃烧过程中外部、内部和底部炭层的化学结构变化进行分析，证明燃烧是由于样品表面链段断裂释放的可燃挥发物被点燃造成的。随后，EP内部的基质开始分解并不断向外表面补充可燃性挥发物来维持燃烧，同时，外部炭层中开始发生交联反应。此时，如果炭层能够聚集热解气体，则可促使吹熄阻燃效应的发生。而如果不能形成有效炭层，随着EP基材热降解反应的加速，更多的可燃性挥发物将会迁移到表面，在此时样品将达到轰燃状态。FTIR，XPS等分析结果显示，DOPO与POSS共同使用可以在凝聚相中生成-P(=O)-O-Si-结构，该结构可以作为连接桥将三维Si(-O)4网络与稠环芳烃相连接，促使燃烧区域快速形成有效炭层结构。在垂直燃烧过程中，此炭层在点燃过程中就可以快速形成，聚集内部的热分解气体，并最终促使吹熄阻燃效应形成。（2）通过SEM、应力流变仪、视频分析等手段以及对环氧树脂样品燃烧过程的凝聚相产物进行分析，发现具有吹熄阻燃效应的环氧样品燃烧时都可以快速形成有效炭层，并且炭层中存在大尺寸的空腔，这种空腔将有助于聚集热分解气体。当空腔中充满热分解气体时，整个空腔可以作为气体隔层来阻碍热量的传播。当气压达到一定程度并可以冲破炭层时的时候，吹熄阻燃效应将会发生。（3）采用将热电偶植入环氧树脂的实验方法对环氧树脂燃烧过程中的凝聚相温度进行研究，研究发现吹熄效应可以有效减缓热量向未分解聚合物基材的传播速度，同时还能通过喷射而出的气流将热源火焰带走，这种隔热作用延长了环氧树脂在较低温度下的分解时间，这是吹熄效应的形成的关键因素。（4）通过TGA-FTIR、TGA、XPS等手段对不同温度条件下环氧树脂的凝聚相及气相分解产物进行分析。研究发现环氧树脂在较低的温度下分解将会有更多的残炭生成，这将有助于气相产物的聚集。同时气相产物分析结果显示，环氧树脂在较低的温度下分解正好可以使气相分解产物具有较高的CO2浓度，这意味着吹熄效应发生时喷射而出的气体具有较低的可燃性，因而更易熄灭样品残余火焰。（5）通过综合考虑吹熄阻燃效应的影响因素和机理分析结果，作者在本论文中建立了吹熄阻燃效应的物理模型。该模型显示，吹熄阻燃机理明显区别于气相阻燃机理、凝聚相阻燃机理、膨胀阻燃机理等传统的阻燃机理。（五）本论文研究中，吹熄阻燃效应显著提高了硅、磷元素对环氧树脂的阻燃效率，使阻燃剂添加量大幅下降。其中硅、磷阻燃元素总添加量约为0.5wt%时获得UL-94V-0级（1.6mm和3.2mm）阻燃配方3个，获得UL-94V-1级（3.2mm）阻燃配方5个；硅、磷阻燃元素总添加量约为0.9wt%时获得UL-94V-0级（3.2mm）阻燃配方1个。较低的阻燃剂添加量意味着在同等阻燃条件下，环氧树脂的综合性能将会明显提高，吹熄阻燃环氧树脂体系具有巨大的潜在应用价值。

全文目录

摘要  5-9
Abstract  9-18
第1章绪论  18-43
  1.1 阻燃剂及阻燃机理  18-22
    1.1.1 阻燃剂概述  18
    1.1.2 无机阻燃剂  18-19
    1.1.3 含卤阻燃剂  19
    1.1.4 磷系阻燃剂  19-20
    1.1.5 硅系阻燃剂  20-21
    1.1.6 协同阻燃剂  21-22
  1.2 硅倍半氧烷的合成及其应用现状  22-26
    1.2.1 硅倍半氧烷概述  22-24
    1.2.2 硅倍半氧烷的合成  24-25
    1.2.3 硅倍半氧烷的应用  25-26
  1.3 DOPO 及其衍生物的合成及应用进展  26-32
    1.3.1 DOPO 及其衍生物的合成  26-29
    1.3.2 DOPO 及其衍生物的应用进展  29-32
  1.4 课题的提出及主要研究内容  32
  参考文献  32-43
第2章含磷笼型低聚硅倍半氧烷（DOPO-POSS）的合成  43-55
  2.1 引言  43
  2.2 实验部分  43-45
    2.2.1 主要原料  43
    2.2.2 表征方法  43-44
    2.2.3 样品制备过程  44-45
  2.3 结果与讨论  45-52
    2.3.1 DOPO-VTES 的结构表征  45-47
    2.3.2 DOPO-POSS 的结构与性能表征  47-52
  2.4 本章小结  52
  参考文献  52-55
第3章吹熄阻燃环氧树脂概念的提出  55-95
  3.1 引言  55
  3.2 实验部分  55-58
    3.2.1 主要原料  55-56
    3.2.2 表征方法  56-58
  3.3 DGEBA/M-PDA 复合材料的热分解行为研究  58-70
    3.3.1 DGEBA 与 DOPO-POSS 反应过程及其产物分析  58-59
    3.3.2 环氧树脂复合材料的制备及其微观形貌分析  59-62
    3.3.3 环氧树脂复合材料的热性能及热稳定分析  62-64
    3.3.4 环氧树脂复合材料的气相热分解产物分析  64-69
    3.3.5 环氧树脂复合材料凝聚相热分解产物分析  69-70
    3.3.6 小结  70
  3.4 DGEBA/M-PDA 环氧树脂中吹熄阻燃效应的研究  70-80
    3.4.1 DOPO-POSS 阻燃 DGEBA/m-PDA 复合材料制备  70-71
    3.4.2 DOPO-POSS 阻燃环氧树脂的吹熄效应及其阻燃性能  71-73
    3.4.3 阻燃环氧树脂热稳定性及气相产物分析  73-76
    3.4.4 阻燃环氧树脂燃烧性能分析  76-79
    3.4.5 小结  79-80
  3.5 OPS/DOPO 阻燃环氧树脂中吹熄阻燃效应的研究  80-91
    3.5.1 OPS/DOPO 阻燃环氧树脂复合材料的制备过程  80
    3.5.2 OPS/DOPO 阻燃环氧树脂中的吹熄效应及其阻燃性能  80-83
    3.5.3 阻燃环氧树脂的热稳定性及气相产物分析  83-86
    3.5.4 DGEBA/m-PDA/OPS/DOPO 复合材料燃烧性能分析  86-88
    3.5.5 阻燃环氧树脂复合材料凝聚相燃烧产物分析  88-91
    3.5.6 小结  91
  3.6 本章小结  91-93
  参考文献  93-95
第4章环氧树脂中吹熄阻燃效应的影响因素  95-152
  4.1 引言  95
  4.2 实验部分  95-98
    4.2.1 主要原料  95-97
    4.2.2 表征方法  97-98
  4.3 固化剂结构对吹熄阻燃效应的影响  98-113
    4.3.1 不同固化剂体系环氧树脂的制备过程  98-99
    4.3.2 不同固化体系环氧树脂的阻燃性能  99-101
    4.3.3 环氧树脂复合材料的热稳定性及其气相产物分析  101-105
    4.3.4 不同固化体系环氧树脂的燃烧性能分析  105-111
    4.3.5 不同环氧树脂固化体系交联结构模拟  111-112
    4.3.6 小结  112-113
  4.4 反应型与非反应型 POSS 对吹熄阻燃效应的影响  113-124
    4.4.1 不同 POSS 阻燃环氧树脂的制备过程  113-114
    4.4.2 环氧树脂复合材料热稳定性分析  114-115
    4.4.3 POSS 的反应性对环氧树脂燃烧性能的影响  115-118
    4.4.4 环氧树脂复合材料凝聚相产物分析  118-122
    4.4.5 环氧树脂复合材料阻燃性能分析  122-123
    4.4.6 小结  123-124
  4.5 笼型和梯型苯基硅倍半氧烷对环氧树脂吹熄阻燃效应的影响  124-135
    4.5.1 环氧树脂复合材料的制备过程  124-125
    4.5.2 环氧树脂复合材料微观形貌分析  125-126
    4.5.3 苯基硅倍半氧烷的结构对环氧树脂阻燃性能的影响  126-127
    4.5.4 环氧树脂复合材料的热稳定性分析  127-129
    4.5.5 不同结构苯基硅倍半氧烷对环氧树脂燃烧性能的影响  129-131
    4.5.6 环氧树脂复合材料凝聚相燃烧产物分析  131-134
    4.5.7 机理讨论  134
    4.5.8 小结  134-135
  4.6 TGDDM/DDS 环氧树脂中的吹熄燃效应  135-147
    4.6.1 阻燃 TGDDM/DDS 环氧树脂的制备方法  135
    4.6.2 TGDDM/DDS 环氧树脂的阻燃性能  135-140
    4.6.3 吹熄阻燃 TGDDM/DDS 环氧树脂机理分析  140-147
    4.6.4 小结  147
  4.7 本章小结  147-149
  参考文献  149-152
第5章吹熄阻燃环氧树脂机理分析  152-195
  5.1 引言  152
  5.2 实验部分  152-153
    5.2.1 主要原料  152-153
  5.3 燃烧过程中环氧树脂基材分解及炭层形成过程研究  153-167
    5.3.1 阻燃环氧树脂的制备及表征方法  153-156
    5.3.2 环氧树脂复合材料凝聚相产物的 FTIR 分析  156-160
    5.3.3 环氧树脂复合材料凝聚相产物的 XPS 分析  160-166
    5.3.4 纯 EP 与 EP/DOPO/OPS 样品燃烧行为的讨论  166
    5.3.5 小结  166-167
  5.4 燃烧过程中环氧树脂凝聚相中硅、磷元素含量变化研究  167-174
    5.4.1 阻燃环氧树脂的制备及表征方法  167
    5.4.2 环氧树脂复合材料的锥形量热分析  167-168
    5.4.3 凝聚相中 Si，P 元素的动态情况研究  168-171
    5.4.4 EP/DOPO/OPS 燃烧过程中含 Si 或 P 物质的结构分析  171-173
    5.4.5 小结  173-174
  5.5 环氧树脂吹熄阻燃效应的凝聚相阻燃机理  174-191
    5.5.1 环氧树脂复合材料的制备方法及表征手段  174-176
    5.5.2 环氧树脂复合材料的阻燃性能  176-177
    5.5.3 环氧树脂复合材料的热稳定性分析  177-179
    5.5.4 环氧树脂燃烧时凝聚相的内部温度分析  179-183
    5.5.5 凝聚相产物物理性质分析  183-185
    5.5.6 气相产物成分分析  185-190
    5.5.7 小结  190-191
  5.6 本章小结  191-192
  参考文献  192-195
第6章结论与展望  195-200
  6.1 全文总结  195-198
  6.2 主要创新点  198
  6.3 研究展望  198-200
攻读学位期间发表论文与研究成果清单  200-203
附表：论文中涉及的原料名称及其英文缩写  203-205
致谢  205

吹熄阻燃环氧树脂机理及应用研究

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