DOPO基反应型高效阻燃剂及其阻燃环氧树脂研究

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环氧树脂(EP)具有良好的综合性能,是目前应用最为广泛的热固性树脂之一。然而高度易燃性极大地限制了其在一些特定领域的使用,设计和开发EP阻燃剂以提高其火灾安全性具有实际意义。9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)作为磷系阻燃剂中的重要一种,具有优异的热性能和阻燃潜力,DOPO基阻燃剂的合成及其阻燃EP的制备已成为研究热点。目前已报道的DOPO基阻燃剂大多固化活性和阻燃效率较低,易造成环氧树脂综合性能变差等问题。因此,设计并合成兼具高效阻燃性和可催化固化的DOPO基反应型阻燃剂仍具挑战性。本文首先设计合成了一种含双羟基的DOPO基反应型高效阻燃剂DPE,将其应用于EP/4,4’-二氨基二苯甲烷(DDM)体系。随后为了进一步增强阻燃剂对EP固化的催化作用,降低其对EP玻璃化转变温度(Tg)的影响,同时保持优异的高效阻燃性,设计合成了一种含多活性亚胺和阻燃功能基团的阻燃共固化剂DST。通过差式扫描量热测试(DSC)分析了DPE和DST对EP/DDM体系固化行为的影响;采用热重分析(TGA)、极限氧指数(LOI)、垂直燃烧(UL-94)、锥形量热测试(CCT)、动态热机械分析(DMA)和拉伸/弯曲测试等手段对阻燃试样的热稳定性、阻燃性、燃烧行为和力学性能进行了系统研究;通过热裂解-气相色谱质谱联用(Py-GC/MS)、拉曼分析(LRS)和扫描电镜(SEM)等手段对阻燃剂的阻燃机理进行了分析和总结。主要结果如下:(1)以乙醇胺、对苯二甲醛和DOPO为原料合成了一种含双羟基的DOPO基阻燃剂DPE,将其加入EP/DDM体系以提高阻燃性。结果表明,DPE的加入虽然降低了EP的Tg和热稳定性,但催化了EP/DDM体系的固化反应,促进了其在高温下形成残留焦炭;加入DPE后,改性EP的阻燃性得到了明显改善,含5 wt%DPE的改性EP通过了UL-94 V-0等级,LOI值达到了33.6%,这表明DPE是一种高效的阻燃剂;与纯EP相比,其热释放速率峰值(PHRR)、总热释放(THR)和总烟产量(TSP)分别降低了32.6%、17.8%和14.7%。DPE的热解行为分析及残炭的SEM、LRS和FTIR分析表明,DPE在气相和凝聚相中起着双重阻燃作用。(2)以磺胺脒、2-噻吩甲醛和DOPO为原料合成了一种含多活性亚胺和阻燃功能基团的阻燃剂DST,将其作为阻燃共固化剂加入EP/DDM体系。结果表明,DST进一步催化了EP/DDM体系的固化反应,明显改善了树脂的阻燃抑烟性。当添加量仅为5 wt%时,改性EP的LOI值达到了32.8%,通过了UL-94V-0等级,其PHRR、THR和TSP分别下降31.2%、18.8%和30.2%。DST与EP具有良好的相容性,所制备的阻燃EP都具有良好的透明性;DST不仅对阻燃EP体系的Tg和交联密度几乎无影响,而且提高了EP的力学性能。阻燃机理分析结果表明DST在气相中发挥自由基猝灭和稀释作用,在凝聚相中发挥促进成炭作用。
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