摘要
环氧树脂（EP）具有优异的机械强度、化学稳定性和粘接能力，在粘合剂、涂料、结构材料、航空复合材料等领域应用广泛。然而，EP 易燃，燃烧过程释放大量的热量和烟气。因此，需要对EP进行阻燃，降低EP的火灾危险性。氮化碳（g-C3N4）作为二维纳米片层材料，具有高热稳定性和出色的阻隔效果，在阻燃EP材料应用方面具有巨大潜力。磷酸掺杂聚苯胺（PANI）可以增强与EP基体的界面相互作用，并提高阻燃效率。金属氧化物可以作为阻燃EP材料的催化抑烟剂，降低EP 燃烧时烟气的释放。本文分别从常见金属氧化物、稀土金属氧化物和典型催化金属氧化物中选择三种金属氧化物（Fe2O3、Y2O3和 TiO2），设计并制备了三种不同 g-C3N4-PANI-金属氧化物杂化协同体系用于阻燃环氧树脂的燃烧性能和热分解性能的研究。主要内容如下： （1）以g-C3N4、苯胺、过硫酸铵、磷酸、改性Fe2O3纳米颗粒为原料，制备了g-C3N4-PANI-Fe2O3杂化协同体系（CNPFe），研究了CNPFe杂化物对EP复合材料热分解行为和燃烧性能的影响规律。研究发现，CNPFe能够提高EP的火安全性能。与 EP/0 相比，3 wt%的 CNPFe 能够使 EP/CNPFe 3.0 的PHRR、THR、PSPR和TSP值分别降低55.3%、16.0%、41.0%和24.5%。CNPFe提高了EP复合材料的热稳定性；EP/CNPFe 3.0 的残炭质量从 EP/0 的 13.9%提高到了 20.9%，耐热指数温度从180.6℃提高到了183.6℃。 （2）以g-C3N4、苯胺、过硫酸铵、磷酸、改性Y2O3纳米颗粒为原料，通过原位聚合的方法，制备了CNPY杂化材料，研究了CNPY杂化物对EP复合材料热分解行为和燃烧性能的作用机制。研究结果表明，CNPY能够赋予EP优异的抑烟减毒性能。添加 3.0 wt% CNPY 后，EP 复合材料的 PHRR 和 THR 值分别比 EP/0 的降低了49.7%和16.9%，PSPR和TSP值分别比EP/0分别降低了38.5%和16.9%， CO生成速率比EP/0的降低了63.8%。同时，CNPY提高EP复合材料的热稳定性。EP/CNPY 3.0 的残炭质量也从 EP/0 的 13.9%提高到了 21.2%。CNPY 促进 EP 初始分解，并使EP材料热解反应性降低，抑制有机挥发成分的释放。 （3）以g-C3N4、苯胺、过硫酸铵、磷酸、改性TiO2纳米颗粒为原料，制备了CNPTi 杂化协同体系，研究了 CNPTi 对 EP 复合材料热分解行为和燃烧性能的作用机制。研究显示，CNPTi 能够赋予 EP 优异的火安全性能。与 EP/0 相比，3 wt%的CNPTi能够使EP的PHRR、THR、PSPR和TSP值分别比EP/0的降低49.9%、15.2%、43.7%和 16.2%，CO 生成速率比 EP/0 的降低 62.1%，最终的残炭质量从EP/0 的 6.29%提高到了 8.93%。同时 CNPTi 提高了 EP 复合材料的热稳定性。EP/CNPTi 3.0 的耐热指数温度从 EP/0 的 180.6℃提高到了 181.7℃。从气相产物分析，CNPTi有效抑制了饱和烃、羰基化合物、芳香族化合物等有机挥发产物的释放。 （4）对比分析CNPFe、CNPY和CNPTi三种不同杂化协同体系对环氧树脂的阻燃抑烟、热稳定性的影响规律。CNPFe、CNPY和CNPTi对EP均有优异的阻燃抑烟效果，但效果偏重方向不同。EP/CNPFe 3.0、EP/CNPY 3.0 和 EP/CNPTi 3.0 分别在PHRR参数、CO生成速率和PSPR参数的降低有明显地优势，分别比EP/0的降低了55.3%、63.79%和43.7%。CNPFe在促使EP成炭和提高耐热指数温度上表现出最好的热稳定性，其热稳定性优于CNPY，CNPTi次之。热解方面，CNPFe在抑制热解过程上表现最明显。
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