摘要
环氧树脂（EP）以其卓越的综合性能广泛应用于多个领域，尤其是在家居和电子制造业。但是EP易燃、不自熄，会导致民众在意外火灾中遭受生命和财产的重大损失，这促使研究人员寻找有效的阻燃解决方案。添加低毒性、高热稳定的有机磷化合物及其衍生物，可显著提升EP阻燃性能。而在含磷阻燃剂中，同时引入氮、硅、硫等元素，多阻燃元素间的协效作用，可进一步提高阻燃剂的阻燃效率，降低阻燃剂的添加量，制得兼顾阻燃性能和优异综合热/力学性能的复合材料。环氧化大豆油（ESO）是一种支化的长碳链大分子结构；9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物（DOPO）是一种热稳定性好的磷系阻燃剂；异氰酸丙基三乙氧基硅烷（IPTS）是一种含有多个硅氧烷基团的活泼有机硅化合物；二苯基硅二醇（DHP-Si）和三甲基氧基苯基硅烷（TMP-Si）可以在催化条件下通过非水解溶胶凝胶法形成纳米粒子。因此，本论文首先选用ESO、DOPO和IPTS为原料，设计合成了一种创新且高效的阻燃增韧添加剂，即磷杂菲硅氧烷环氧大豆油（PSOSi），将其引入环氧树脂基体中，制备不同含量的阻燃热固性环氧复合材料。进一步，以PSOSi、DHP-Si和TMP-Si为原料，通过非水解溶胶凝胶法原位制备不同阻燃纳米粒子含量的环氧树脂复合材料。 本论文的主要研究内容及结果如下： （1）选用环氧大豆油、DOPO和IPTS为原料，成功合成了一种阻燃增韧添加剂，磷杂菲硅氧烷环氧大豆油环氧树脂（PSOSi）。研究发现均匀分散于环氧树脂中的PSOSi通过硅氧烷的水解和自缩合反应原位形成了聚硅氧烷纳米粒子，且其尺寸小于可见光，使得材料的光散射程度降低，显著增强了DGEBA/DDM/PSOSi复合材料的透明度。与DGEBA/DDM相比，添加20wt%PSOSi时，DGEBA/DDM/PSOSi复合材料的耐热性降低，但拉伸模量和缺口冲击强度分别提高了33.3%和108.3%。此外，材料的阻燃性能优异，LOI值为29.5%，达到UL-94V-0等级，且可以用作木材的有效阻燃涂层。通过热分解气体和残炭形貌、成分的分析，DGEBA/DDM/PSOSi复合材料的阻燃机理主要归因于PSOSi燃烧过程中气相产生的含磷自由基的猝灭效应和凝聚相中致密炭层的阻隔效果。上述研究结果表明PSOSi是一种有效的高分子阻燃增韧剂，其改性复合材料有望用作高性能透明阻燃涂料。 （2）为了保持环氧树脂原有的良好耐热性能的同时改善材料的阻燃性能和力学性能，选用PSOSi、DHP-Si和TMP-Si为原料，DDM作为固化剂，通过非水解溶胶凝胶法原位制备不同阻燃纳米粒子含量的环氧树脂复合材料，记为Core-n（其中PSOSi的添加量固定为10wt%，n代表DHP-Si和TMP-Si的总质量比，n=3，6，9，12wt%）。首先，通过FT-IR和TEM证实，成功制备了不同Core含量的阻燃纳米粒子/环氧树脂复合材料，且纳米粒子均匀分布于基体中。研究发现原位构筑的一系列阻燃纳米粒子/环氧复合材料的耐热性（Tg）和储能模量（E’）与纯环氧树脂相当，添加量低于9wt%时，其热机械性能甚至略有提高。此外，环氧复合材料的机械性能得到显著提高，Core组分添加量为9wt%时，拉伸强度和拉伸模量分别提高了17.5%和23.8%，缺口冲击强度提高了242.4%。Core含量增加至12wt%，环氧复合材料的LOI值提高至30.5%，并且通过了UL-94V-0等级。锥形量热测试结果发现，与DGEBA/DDM相比，阻燃纳米粒子/环氧树脂复合材料（Core-12wt%）的峰值热释放速率（PHRR）和总释放热（THR）分别降低了55%和24%，火灾安全指数（FPI）提高了90%、火灾增长速率（FIGRA）降低了约54%、残炭量（RCY）提高了约5倍。这些研究结果表明阻燃纳米粒子/环氧树脂复合材料不仅保持了环氧树脂固有的高耐热性能，还极大程度地提高了环氧树脂的韧性、阻燃性能和火灾安全性能，有望进一步拓宽环氧复合材料的的应用领域。
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