新型膦酸酯阻燃剂的制备及其阻燃环氧树脂中的应用

摘要

环氧树脂以其优异的综合性能而广泛应用于多种金属与非金属的粘结、耐腐蚀涂料、电气绝缘材料、玻璃钢/复合材料等的制造。但环氧树脂固化物易燃，因此需要进行阻燃改性来降低材料的火灾隐患。卤系阻燃剂对环氧树脂具有很好的阻燃效率及高的性价比，但基于环保及安全等因素其应用受到了限制。磷系阻燃环氧树脂具有高效、环保等优点，但存在着热稳定性低、易水解等问题。瞵酸酯阻燃剂具有耐水解、热稳定性高等优点受到人们的关注并已成为阻燃领域的研究热点。
　　本论文以苯基磷酰二氯、对羟基苯甲醛和9，10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)为原料，设计合成了一种新型膦酸酯型阻燃剂二[4-（次甲基-羟基-磷杂菲）苯氧基]苯基氧化磷(DOPO-PPO)，通过傅里叶红外光谱(FTIR)、1H、31P核磁共振(NMR)对产物的结构进行了表征。通过热重分析(TGA)测试研究了产物的热稳定性、热降解行为及成炭性能，结果表明，阻燃剂DOPO-PPO的起始分解温度为252℃，700℃的残炭量为30.0wt％，表明该阻燃剂具有较好的热稳定性和成炭性能。将合成的阻燃剂DOPO-PPO分别按不同比例添加到环氧树脂中，以二氨基二苯硫砜(DDS)为固化剂制备阻燃环氧树脂固化物，采用极限氧指数(LOI)、垂直燃烧(UL-94)和锥形量热仪(CONE)测试研究了固化物的阻燃性能和燃烧行为。通过将材料置于70℃水中煮168 h，测试材料的耐水性能。结果表明，当阻燃剂的添加量为12 wt％，体系磷含量为1.1wt％时，材料顺利通过UL-94Ⅴ-0级， LOI值达到了34.0％，表明该阻燃剂对环氧树脂材料具有很好的阻燃效率。CONE测试表明，相比较于纯环氧树脂固化物，DGEBA/12wt％ DOPO-PPO材料的热释放速率(HRR)、热释放总量(THR)、烟释放总量(TSP)等参数都有显著的降低。材料的TGA测试表明，DOPO-PPO的加入使得促进了材料的降解和成炭，材料的起始分解温度有所降低，由于形成的炭层很好的保护了下层材料，从而提高了材料在高温时的热稳定性，同时材料在700℃时的残炭由14.1wt％提高到了27.0wt％。残炭的扫描电镜(SEM)测试结果表明，阻燃剂的加入使得材料在燃烧过程中形成了更加均一和致密的炭层，很好的阻止了氧气和热量进入材料的内部，同时抑制可燃气体进入到燃烧区域，从而提高了材料的阻燃性能。耐水测试表明阻燃剂的加入降低了材料的吸水率，耐水测试后材料依然保持了很好的阻燃性能。
　　同时我们以苯基磷酰二氯、对羟基苯甲、对氨基苯酚和DOPO为原料，成功合成了另一种热稳定性、成炭性能及耐水性能更佳优异的新型膦酸酯阻燃剂二[4-（对羟基苯胺-磷杂菲-亚甲基）苯氧基]苯基氧化膦(DOPO-PPAO)，对其结构进行了表征。TGA测试表明， DOPO-PPAO的起始分解温度为305℃，700℃的残炭量高达44.2wt％，表明该阻燃具有较好的热稳定性和成炭性能。将其添加到环氧树脂中，以DDS为固化剂制备阻燃环氧树脂固化物。测试结果表明，当阻燃剂添加量为14.0wt％，此时体系磷含量为1.1wt％时，材料通过UL-94Ⅴ-0级，LOI值达到了33.5％，表现了较好的阻燃效率。CONE测试表明，相比较于纯环氧树脂固化物，DGEBA/12wt％ DOPO-PPAO材料的HRR、THR、TSP及SPR等参数都有显著的降低。TGA测试表明，DOPO-PPAO的加入使材料提前发生了降解和成炭，形成的炭层很好的保护了下层材料，从而提高了材料在高温时的热稳定性，在700℃时材料的残炭由纯环氧树脂的14.1wt％提高到了44.2wt％。耐水测试表明，由于阻燃剂中存在大量的具有刚性及疏水性能的芳香基团，从而使得阻燃剂的加入降低了材料的吸水性能，同时在耐水测试后材料依然保持了很好的阻燃性能。

目录

摘要

1 绪论

1．1 环氧树脂的简介

1．2 环氧树脂阻燃研究进展

1．2．1 卤系阻燃环氧树朦

1．2．2 无卤阻燃环氧树脂

1．3 含磷阻燃环氧树脂研究进展

1．3．1 磷酸酯阻燃环氧树脂

1．3．2 膦酸酯阻燃环氧树脂

1．3．3 芳基(烷基)氧化膦阻燃环氧树脂

1．3．4 DOPO及其衍生物阻燃环氧树脂

1．3．5 磷腈及其衍生物阻燃环氧树脂

1．4 本课题研究的意义及内容

2 二[4-(次甲基-羟基-磷杂菲)苯氧基]苯基氧化膦的合成及其阻燃环氧树脂性能的研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 主要原料

2．2．2 二[4-(次甲基-羟基-磷杂菲)苯氧基]苯基氧化磷DOPO-PPO的合成

2．2．3 阻燃环氯树脂固化物的制备

2．2．4 结构表征及性能测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 DOPO-PPO的化学结构表征

2．3．2 固化物的阻燃性能测试

2．3．3 固化物的燃烧行为

2．3．4 固化物的热降解行为分析

2．3．5 锥形量热测试后残炭表面形貌分析

2．3．6 环氧树脂体系的耐水性能研究

2．4 本章小结

3 二[4-(对羟基苯胺-磷杂菲-亚甲基)苯氧基]苯基氧化膦的合成及其阻燃环氧树脂性能的研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 主要原料

3．2．2 DOPO-PPAO的合成

3．2．3 阻燃环氧树脂固化物的制备

3．2．4 结构表征与性能测试

3．3 结果讨论

3．3．1 DOPO-PPAO的化学结构表征

3．3．2 固化物的阻燃性能测试

3．3．3 固化物的燃烧行为

3．3．4 固化物的热降解行为分析

3．3．5 锥形量热测试后残炭表面形貌分析

3．3．6 环氧树脂体系的耐水性能研究

3．4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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