笼网结构含磷POSS反应型阻燃剂在环氧树脂中的应用

摘要

环氧树脂具有优异的综合性能，在纤维增强复合材料、涂料、胶黏剂和电子封装等领域具有广泛的应用。但环氧树脂易燃，限制了其在高阻燃要求领域的应用。近年来，随着全球环保的呼声越来越高，传统的含卤阻燃剂将被逐步淘汰，给环氧树脂阻燃提出了新的要求和挑战。本论文从分子设计的角度出发，将笼网结构POSS、含磷、活性官能基（环氧基、氨基）等功能性基团引入环氧树脂阻燃剂中，制备新型的阻燃环氧树脂体系，系统研究了这些功能性基团对环氧树脂热性能、力学性能和阻燃性能的影响规律。主要研究内容如下：　　一、采用9，10-二氢-9-氧杂-10-膦菲-10-氧杂（DOPO）-乙烯基三甲氧基硅烷加成物（DOPO-VTMS）与（3，4-环氧环己基）乙基三甲氧基硅烷（KH530）通过水解缩合反应制备了含环氧基团的笼网结构聚倍半硅氧烷（CLEP-DOPO-POSS）。采用傅里叶变换红外（FTIR）、核磁共振（1HNMR、29SiNMR）、MALDI-TOF和XRD等手段对其结构进行了表征。将不同比例的CLEP-DOPO-POSS加入到环氧树脂中，制备了系列阻燃环氧树脂。采用TGA、DMA、万能拉力机、LOI、UL-94和锥形量热计对阻燃环氧树脂的热性能、机械性能和阻燃性能进行了研究；利用TGA-IR、TGA-MS以及SEM研究了其阻燃机理。研究结果表明，CLEP-DOPO-POSS可在环氧树脂中均匀分散。加入CLEP-DOPO-POSS，能够显著提高环氧树脂的阻燃性能。当CLEP-DOPO-POSS加入量为2.91wt%时，阻燃环氧树脂的LOI值可提高至31.9%，并通过了UL-94V-0测试。此外，加入CLEP-DOPO-POSS阻燃剂，环氧树脂的热性能和机械性能也有明显提升。其阻燃阻燃机理为含磷自由基的淬灭效应以及在凝聚相中形成含磷硅碳层的共同作用。　　二、为进一步扩大该类阻燃剂的适用范围，采用9，10-二氢-9-氧杂-10-膦菲-10-氧杂（DOPO）-乙烯基三甲氧基硅烷加成物（DOPO-VTMS）与γ-氨丙基三甲氧基硅烷（KH540）进行水解缩合反应，制备了新型含氨基取代基的笼网结构聚倍半硅氧烷（CLNH2-DOPO-POSS）。采用傅里叶变换红外（FTIR）、核磁共振（1HNMR、29SiNMR）、MALDI-TOF、XRD等对其结构进行了表征。将不同比例的CLNH2-DOPO-POSS加入到环氧树脂中，制备了系列阻燃环氧树脂。采用TGA、DMA、万能拉力机、LOI、UL-94、以及SEM对环氧树脂的热性能、机械性能和阻燃性能进行了研究；采用TGA-IR和TGA-MS对其阻燃机理进行了研究。研究结果表明，CLNH2-DOPO-POSS可在环氧树脂中均匀分散。加入CLNH2-DOPO-POSS，可有效提高环氧树脂的热稳定性、力学性能以及阻燃性能。拉伸强度和弯曲强度从纯环氧树脂的69.9MPa和99.3MPa分别提高到了82.8MPa和105.1MPa，分别提高了18.2%和7.8%，Tg提高到183.8℃。当CLNH2-DOPO-POSS加入量为3wt%时，阻燃环氧树脂的LOI值为31.8%，并通过了UL-94V-0测试。其阻燃机理涉及了硅的炭增强效应、DOPO的催化炭化效应以及DOPO的自由基淬灭效应。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 环氧树脂简介

1.1.1 环氧树脂的类型

1.1.2 环氧树脂的固化

1.1.3 环氧树脂的特性和应用

1.2 阻燃环氧树脂的研究

1.2.1 磷系阻燃环氧树脂体系

1.2.2 硅系阻燃环氧树脂体系

1.2.3 磷硅协同阻燃环氧树脂体系

1.2.4 纳米复合材料阻燃环氧树脂体系

1.2.5 环氧树脂的热降解及阻燃机理

1.3.1 POSS的简介及结构特点

1.3.2 POSS的合成方法

1.3.3 POSS杂化阻燃聚合物材料研究

1.4 本论文的研究目标

第二章 基于含环氧官能基笼网结构CLEP-DOPO-POSS绿色阻燃环氧体系的研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验原料与试剂

2.2.2 实验仪器及检测方法

2.2.3 CLEP-DOPO-POSS阻燃剂合成及环氧树脂复合材料制备

2.3 结果与讨论

2.3.1 CLEP-DOPO-POSS的结构表征

2.3.2 CLEP-DOPO-POSS改性环氧树脂的形貌分析

2.3.3 CLEP-DOPO-POSS改性环氧树脂的热性能研究

2.3.4 CLEP-DOPO-POSS改性环氧树脂的力学性能研究

2.3.5 CLEP-DOPO-POSS改性环氧树脂的阻燃性能

2.3.6 CLEP-DOPO-POSS改性环氧树脂的阻燃机理

2.4 结论

第3章 基于含氨基笼网结构CLNH2-DOPO-POSS绿色阻燃环氧体系的研究

3.1 引言

3.2.1 实验原料与试剂

3.2.2 实验仪器及检测方法

3.2.3 CLNH2-DOPO-POSS 阻燃剂合成及环氧树脂复合材料制备

3.3 结果与讨论

3.3.1 CLNH2-DOPO-POSS的结构表征

3.3.2 加入CLNH2-DOPO-POSS与CLEP-DOPO-POSS对环氧树脂固化体系固化反应的影响

3.3.3 CLNH2-DOPO-POSS改性环氧树脂的形貌分析

3.3.4 CLNH2-DOPO-POSS改性环氧树脂的热性能研究

3.3.5 CLNH2-DOPO-POSS改性环氧树脂的力学性能研究

2.3.6 CLNH2-DOPO-POSS改性环氧树脂的阻燃性能

3.3.7 CLNH2-DOPO-POSS改性环氧树脂阻燃机理

3.4 结论

全文结论

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的科研成果