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含DOPO阻燃环氧树脂的固化动力学研究

胡建华  
【摘要】:国内外关于无卤阻燃环氧的研究,主要集中在阻燃环氧树脂、阻燃固化剂和纳米阻燃剂的合成,以及研究这些阻燃固化物阻燃性能(极限氧指数、垂直燃烧性能、热释放速率和总量等)和热分解过程(热分解温度、残炭率和裂解产物质谱分析等),以揭示可能的阻燃机理。没有或很少对阻燃环氧固化过程动力学进行跟踪和描述,而阻燃环氧树脂的固化物的性能依赖于其固化状态。因而要得到高性能的阻燃环氧树脂,理解并应用固化动力学就很有必要。DSC通过热焓的变化来研究固化动力学,测试方便,能得到固化行为规律并且能定量描述转化率速率,流变则能反应固化环氧的结构变化。因此,本研究围绕含DOPO的阻燃环氧,通过等温和升温固化探讨转化率与固化度同温度之间的关系,揭示固化过程热焓和结构的变化。研究不同固化促进剂对固化动力学的影响。同时对玻璃化和凝胶化对体系固化的影响也有陈述。以期对实际生产过程中工艺和性能提供指导。1、以4,4-二氯甲基联苯和对氨基苯酚为原料,通过一锅法合成了氨基封端的含有联苯结构的固化剂(BPDP),采用FT-IR,1-NMR, ESI-MS和元素分析对其结构进行了表征。与常规固化剂4.4-二氨基二苯甲烷(DDM)搭配共固化环氧树脂。EP828/BPDP/DDM固化物同EP828/DDM固化物相比,热稳定性、残炭率和耐水性能有所提高。EP828/BPDP/DDM固化物的玻璃化温度随BPDP含量增加而提高。含磷1wt%的环氧DOPOER/BPDP/DDM固化物阻燃性能达到UL94V-0级,BPDP的加入提高了阻燃性能。通过用Malek法对不同含量BPDP体系进行了非等温固化动力学的分析,发现反应均具有自催化的特征,符合S B(m, n)模型。2、从工业界使用的含磷(DOPO)环氧树脂与普通EPIKOTE 828环氧材料复配,优选阻燃效果能达到LrL-94 V-0级的配方EP-1.5为:EPIKOTE 828:磷含量为3.2wt%环氧树脂:双腈胺(DICY):有机脲U-52=10:11:1:0.6(重量比)。该配方得到的环氧树脂固化物冲击强度为14.5 kJ/m2,拉伸强度为48MPa。Kissinger法得表观活化能Ea为72.96kJ/mol。根据Malek方法发现体系非等温固化过程具有自催化的特征,固化反应行为可用简化SB(m, n)模型描述。等温固化曲线均只有单一放热峰出现,温度越高,反应速率越快,极限转化率越高。等温反应具有自催化机理。用Kam al模型模拟预测的固化速率同实验得到的固化速率符合情况良好。3、考察优化阻燃配方的促进剂改变后的1.5P-D-U-EMI体系的固化过程。采用量热法建立玻璃化温度与转化率之间的关系。在固化温度低于完全固化后的玻璃化温度T∞时,等温固化后期,观察到扩散控制现象。引入扩散控制因子对Kamal模型对计算结果进行修正。采取持续频率扫描方法对1.5P-D-U-EMI体系进行等温流变测试,等温流变过程中观察到玻璃化现象,玻璃化后,模量还是继续增加。不同的等温条件下,G值最后都达同一平台值,说明虽然不同的等温条件固化需要的时间不同,但最终都能达到同样固化度。通过对不同等温条件下的液固转变点的转化率推算和活化能计算,发现液固转变点转化率一样,推算的活化能为83.28kJ/mol,与前面Kissinger方法求得体系的Ea为85.46 kJ/mol非常接近。说明对于15P-D-U-EMI体系,DSC方法和流变测试方法,在同等条件下的固化本质是一致的。4、讨论了含量为lphr咪唑改性的氧化石墨烯对1.5P-D-U-EMI体系固化的影响。量热学角度表明,当GO-IPDI-MZ用量为lphr不会改变1.5P-D-U-EMI体系的非等温固化反应机理。1.5P-D-GOM-1体系固化起始温度Tonset、峰顶温度Tp均比15P-D-U-EMI体系降低,而总的固化热△H比15P-D-U-EMI体系的△H升高。说明GO-IPDI-MZ用量为lphr时,对我们研究的环氧体系能起到一定的促进固化和共固化作用。在固化反应后期阶段体系出现了玻璃化现象,在此阶段含扩散控制因子的Kamal模型预测结果与实验结果能较好地一致。利用多频率扫描模式,1.5P-D-GOM-1体系的非等温和等温固化过程中均可以观察到Winter凝胶化点的存在。通过流变测得的凝胶化点时间求得的活化能为79.42kJ/mol,比1.5P-D-U-EMI体系用流变方法求得的活化能83.28kJ/mol小,同样说明GO-IPDI-MZ的加入对体系固化有促进作用。5、研究2-乙基-4-甲基咪唑改性的氧化石墨烯(GO-IPDI-EMI)对于阻燃环氧树脂-双氰胺的催化作用。非等温热流图谱起始温度Tonset值和峰顶温度Tp值随GO-IPDI-EMI含量的增加移向低温。Friedman法说明GO-IPDI-EMI从反应一开始就降低反应活化能,起到了良好的催化作用。利用Kamal模型得到等温固化速率常数k1和k2求得非催化活化能Eal和自催化活化能Ea2较未加GO-IPDI-EMI的环氧体系显著下降。Winter法凝胶化的时间点随GO-IPDI-EMI含量的增加而向低温方向移动,通过等温凝胶化的时间点求得的活化能随GO-IPDI-EMI含量的增加而减小。量热法和流变均表明GO-IPDI-EMI对阻燃环氧固化起到了较好催化作用,能作为环氧树脂固化促进剂使用。


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