含磷POSS基大分子阻燃剂改性环氧树脂

摘要

环氧树脂因其具有良好的粘结性、化学稳定性、低收缩、优异的机械性能、易加工成型和成本低廉等优点，而广泛应用于粘结剂、涂料及电子封装等领域，但是由于环氧树脂存在内应力大、质脆，耐热性及阻燃性能不足而使得其应用受到限制。传统含卤素尤其是含溴阻燃剂虽被证明有很好的阻燃效果并得到广泛应用，但研究发现其在燃烧时会生成有毒物质，使得含卤阻燃剂的使用受到限制。建立新型无卤、无毒的环氧阻燃体系已成为科研工作者关注的研究热点之一。
　　本文以DOPO（9，10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物）为磷源合成了两种可聚合的含磷单体，分别通过可逆加成断裂链转移(RAFT)聚合和自由基聚合制备出具有反应性的含磷硅元素的嵌段型(BCP)和无规型大分子阻燃剂(RCP)并将其用于环氧树脂的阻燃改性研究，并进一步探究了磷、硅含量对材料阻燃和热稳定性能的影响。本文具体工作内容如下:
　　1.分别通过Atherton-Todd和Kabachnik-Fields反应制备出含单个DOPO单元结构的和含双个DOPO单元结构的可聚合含磷单体MADOPO和MAdiDOPO，产率分别为89％和85％;通过红外光谱(IR)、核磁共振波谱(1H NMR、13C NMR、31PNMR和HMQC)对其表征，确定了化学结构。
　　2.以甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)提供反应性环氧基团，通过RAFT制备了PGMA大分子链转移剂，以MADOPO为磷源，丙烯酰氧丙基七异丁基笼形倍半硅氧烷(APOSS)为硅源，进一步扩链得到含不同磷、硅含量的嵌段型大分子阻燃剂(BCP)，通过红外光谱(IR)、核磁共振波氢谱和磷谱(1H NMR和31P NMR)、凝胶渗透色谱(GPC)和对产物结构单元化学组成、分子量进行表征。热失重分析(TGA)数据表明，APOSS单元的引入可显著提高大分子阻燃剂的热分解温度(Td)和700℃成炭率。进一步地，利用合成的BCP与双酚A型环氧树脂(E51)熔融共混，以4，4'—二氨基二苯甲烷(DDM)为固化剂，制备了一系列的阻燃环氧树脂。分别考察了BCP中GMA、MADOPO和APOSS三种单元对体系相容性的影响。研究发现，大分子阻燃剂中过多的APOSS单元会引发固化诱导相分离而得到不透明产物。在共聚物中引入反应性的GMA单元后，体系相容性得到改善。DSC表明各组分BCP3改性环氧树脂均显示单一玻璃化转变温度，此时体系中未见明显的宏观相分离。极限氧指数试验(LOI)结果表明，BCP中MADOPO和APOSS单元(P/Si)比例会影响改性环氧树脂的阻燃性能，其中BCP3改性的环氧树脂（磷含量0.54 wt％，硅含量0.55 wt％）阻燃性能最好（氧指数为36.7）;通过SEM观察材料烧蚀后的炭层形貌，相对于只含有MADOPO单元或APOSS单元的聚合物BCP1和BCP6，EP/BCP3-10表现出一种具有更稳定的膨胀泡沫状结构的炭层结构。FTIR分析表明，BCP3由于磷硅的协同阻燃效应可以使更多的芳香结构保留在残炭中芳香结构保留在残炭中。
　　3.以MAdiDOPO为磷源，丙烯酰氧丙基七异丁基笼形倍半硅氧烷(APOSS)为硅源，甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)提供反应性环氧基团自由基一步聚合得到P(GMA-co-APOSS-co-MAdiDOPO)无规型大分子阻燃剂，并通过红外光谱(IR)进行表征;调节GMA、APOSS和MAdiDOPO的投料比例，得到不同GMA单元含量的无规型大分子阻燃剂(RCP)，并用1H NMR表征其化学组成。通过增加RCP大分子阻燃剂中GMA的单元含量（大于48 mol％），可以得到与环氧树脂相容性良好的大分子阻燃剂;DSC表明各组分RCP3改性环氧树脂均显示单一玻璃化转变温度，且添加量为15％时DSC所测Tg为168.1℃、其值与纯环氧树脂Tg（DSC所测169.1℃）相近，表明阻燃嵌段共聚物与环氧树脂相容性良好，保持了环氧树脂的热机械性能;LOI测试表明，RCP大分子阻燃剂改性的环氧树脂阻燃性能显著提高（LOI最高可达41.0）;TGA测试表明，相对于纯环氧树脂，EP/RCP的Td并没有明显改变，随着RCP添加量的增加，材料的残炭率逐步提高。通过SEM观察材料燃烧后的炭层形貌，发现随着RCP3添加量增加时，炭层逐渐形成了更为完整致密、强度较大的炭层，从而使材料获得更为优良的防火阻燃性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 POSS及其应用

1．1．1 POSS的定义

1．1．2 POSS的结构特征

1．1．3 POSS改性环氧树脂研究进展

1．2 环氧树脂阻燃技术

1．2．1 添加型阻燃技术

1．2．2 反应型阻燃技术

1．3 DOPO及其衍生物的合成及应用

1．3．1 DOPO的合成及其反应活性

1．3．2 DOPO衍生物阻燃改性环氧树脂研究

1．4 磷、硅协同阻燃

1．5 本课题的提出和研究内容

参考文献

第二章 含磷POSS基大分子阻燃剂的合成

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验仪器

2．2．3 含磷单体(MADOPO、MAdiDOPO)的合成

2．2．4 含磷POSS基大分子阻燃剂的合成

2．2．5 测试表征方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 MADOPO的合成与结构表征

2．3．2 MAdiDOPO的合成与结构表征

2．3．2 含磷POSS基大分子阻燃剂的合成和表征

2．4 小结

参考文献

第三章 含磷POSS基大分子阻燃剂改性环氧树脂

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验仪器

3．2．3 含磷POSS基大分子阻燃剂改性环氧树脂的制备

3．2．4 测试表征方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 含磷POSS基嵌段型大分子阻燃剂改性环氧树脂(EP／BcP)

3．3．2 含磷POSS基无规型大分子阻燃剂改性环氧树脂(EP／RCP)

3．4 小结

参考文献

第四章 结论

作者在读期间科研成果简介

致谢