磷杂菲类阻燃剂的合成及在环氧树脂中的应用

摘要

传统的卤系阻燃剂因其存在生物富集性且在燃烧过程中会形成有毒的燃烧物等缺点，而被许多国家限制使用。磷系阻燃剂因低烟、低毒、环保的特点而备受关注。目前，环氧树脂(EP)因其优异的性能和成本低廉而被广泛应用于众多领域中，但其易燃，这一缺点限制了它的推广使用，所以对其进行阻燃改性研究成为了当前的研究热点。 本论文通过简单的取代、加成反应制备了一系列的含磷杂菲基团的阻燃剂(FR)，并将其用于EP的阻燃改性研究中。具体的研究内容与测试结果如下： (1) 先通过取代反应合成9，10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-硫化物（DOPS)，然后将其分别与1，4-萘醌、衣康酸、苯酚等物质反应合成DOPS的衍生物，即合成10-(2,5-二羟基二苯基)-10-氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-硫化物(DOPS－NQ）、10-(2,5-二羧基丙基)-10-氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-硫化物(DOPS－ITA）、10-(4-苯氧基)-10-氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-硫化物(DOPS－BQ)等衍生物。通过红外光谱(FTIR)、核磁(NMR)等对其结构进行表征，采用热重分析仪(TGA)对DOPS及其部分衍生物的热性能进行分析。研究结果表明，DOPS－BQ只有一个降解过程，其R700℃为0.75%；DOPO、DOPS－NQ均有两个降解过程，但DOPO 在550℃基本上分解完全，DOPS－NQ的R700℃为18.05%；而DOPS、DOPS－ITA均有三个降解过程，其R700℃分别为10.5%、13.18%。 (2) 将DOPO、DOPS、DOPO/APP、DOPS/APP分别添加至EP 中，并运用极限氧指数(LOI)测试、UL-94、TGA等测试手段对FR－EP的性能进行相应的研究。结果表明，FR的加入可有效改善EP的阻燃性能和高温条件下的成炭能力，其中复配型FR－EP表现出的阻燃效果更佳。同时从其锥形量热测试(CONE)结果可知，FR的加入有效的降低了基材的最大热释放速率(pK－HRR)、总热释放量(THR)、总烟释放量(TSR)等值；且从其残炭的扫描电镜(SEM)分析中可知，FR－EP燃烧后均形成了连续的，致密的炭层，且在DOPS/APP－EP体系中还出现了蜂窝状的紧密连续炭层。 (3) 将DOPS－ITA、DOPS－NQ或将其与APP复配后再分别添加至EP中，并对其性能进行测试。结果表明，FR的加入有效的提高了基材的LOI值与UL-94等级；且DOPS－NQ及其复配阻燃体系表现出的阻燃性能及其促进基材脱水成炭的能力优于DOPS－ITA及其复配体系。FR的加入能有效降低基材的HRR、EHC、THR等值，其中，THR值较纯EP降低的最多的为DOPS－ITA/APP－EP、DOPS－NQ/APP－EP体系，其分别降低了59.46%、67.10%；同时FR－EP的CO与CO2的生成量均有所下降。对FR－EP进行SEM分析可知，复配型阻燃基材燃烧后形成的炭层比较致密、紧凑，且能观察到有明显的膨胀现象发生；而对于单一的阻燃EP体系，其燃烧后所形成的残炭表面均存在一些细微的小孔。 (4) 将DOPS－BQ、DOPS－BQ/APP分别添加至EP中，并对FR-EP的性能进行测试。其测试结果显示，FR的加入可有效提高基材的LOI值与UL-94等级，同时FR－EP的HRR、EHC、THR等值相对于纯EP，均有所下降；且其复配型FR能有效降低基材的CO与CO2的生成量；其COY值最低可下降47.62%，说明FR的加入可增强EP的阻燃性能与热性能，同时复配型FR对基材具有抑烟作用。从其残炭的SEM图中可以观察到，DOPS－BQ－EP体系的炭层内部形貌与纯EP相似，具有较多的孔洞，通常这类炭层是不能起到较好的隔热、隔氧作用的，也不能更好的阻碍基材内部气体向可燃区域的逸出，所以这也间接导致了其SPR与TSR值的增大。而在DOPS－BQ/APP－EP体系中，所形成的炭层内部形貌均出现了不连续的碎裂的炭层结构，这有可能是因为该体系存在吹熄阻燃作用所致。

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摘要

ABSTRACT

1绪论

1.1 阻燃剂与阻燃材料概述

1.1.1 基材的燃烧与阻燃

1.1.2 阻燃剂的分类及具体的阻燃机理

1.2 环氧树脂(EP)简介

1.2.1 EP及其分类简介

1.2.2 EP的特性及应用领域

1.3 EP的阻燃改性

1.4 本课题的研究目的及研究内容

1.4.1 研究目的及意义

1.4.2 研究思路及研究内容

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验原料

2.2.2 实验仪器和设备

2.2.3 DOPS及其衍生物的合成

2.3 性能测试与表征

2.3.3 热失重分析(Thermogravimetric Analysis，TGA)

2.4 结果与讨论

2.4.1 磷杂菲类阻燃剂的表征

2.4.2 磷杂菲类阻燃剂的热性能分析

2.5 本章小结

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 DOPO－EP、DOPS－EP复合材料的制备

3.3 性能测试

3.3.1 极限氧指数(LOI)测试与垂直燃烧等级测试(UL-94)

3.3.2 力学性能测试

3.3.3 锥形量热测试(CONE)

3.3.4 热失重分析(TGA)测试

3.3.5 SEM测试

3.4 结果与讨论

3.4.1DOPO－EP、DOPS－EP的阻燃性能分析

3.4.2 DOPO－EP、DOPS－EP复合材料的热性能分析

3.4.3 DOPO－EP、DOPS－EP复合材料的力学性能分析

3.5 本章小结

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验原料

4.2.2 实验仪器

4.2.3 DOPO/APP－EP、DOPS/APP－EP复合材料的制备

4.3 性能测试

4.4 结果与讨论

4.4.1 DOPO/APP－EP、DOPS/APP－EP的阻燃性能分析

4.4.2 DOPO/APP－EP、DOPS/APP－EP的热性能分析

4.4.3 DOPO/APP－EP、DOPS/APP－EP的力学性能分析

4.5 本章小结

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 实验原料

5.2.2 实验仪器

5.2.3 DOPS－ITA－EP、DOPS－ITA/APP－EP复合材料的制备

5.3 性能测试

5.4 结果与讨论

5.4.1 DOPS－ITA－EP、DOPS－ITA /APP－EP的阻燃性能分析

5.4.2 DOPS－ITA－EP、DOPS－ITA /APP－EP的热性能分析

5.4.3 DOPS－ITA－EP、DOPS－ITA /APP－EP的力学性能分析

5.5 本章小结

6.1 引言

6.2 实验部分

6.2.1 实验原料

6.2.2 实验仪器

6.2.3 DOPS－NQ－EP、DOPS－NQ /APP－EP复合材料的制备

6.3 性能测试

6.4 结果与讨论

6.4.1 DOPS－NQ－EP、DOPS－NQ /APP－EP的阻燃性能分析

表6-2为FR－EP体系的配方及其LOI值与UL-94等级测试结果。图6-1为FR－EP的LOI值随

6.4.2 DOPS－NQ－EP、DOPS－NQ/APP－EP的热性能分析

6.4.3 DOPS－NQ－EP、DOPS－NQ/APP－EP的力学性能分析

6.5 本章小结

7.1 引言

7.2 实验部分

7.2.1 实验原料

7.2.2 实验仪器

7.2.3 DOPS－BQ－EP、DOPS－BQ/APP－EP复合材料的制备

7.3 性能测试

7.4 结果与讨论

7.4.1 DOPS－BQ－EP、DOPS－BQ/APP－EP的阻燃性能分析

7.4.2 DOPS－BQ－EP、DOPS－BQ /APP－EP的热性能分析

7.4.3 DOPS－BQ－EP、DOPS－BQ /APP－EP的力学性能分析

7.5 本章小结

结论

参考文献

附图：部分化合物的图谱

致谢

攻读硕士期间发表论文

贵州师范大学学位论文原创性声明