基于DFT的液氧相容改性环氧树脂的化学特性研究

通过化学改性的方式在环氧树脂里面引入磷元素可以有效提高其液氧相容性,但这同时也会改变环氧树脂的化学特性,而关于化学特性的变化还有待研究。由于实验研究难以表征相关化学特性,采用密度泛函理论(DFT)对10-(2,5-二羟基苯基)-10-氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(ODOPB)改性环氧树脂分子的化学特性做了深入研究。为了分析在环氧树脂分子上枝接ODOPB官能团对其化学特性的影响,同时还研究了未改性环氧树脂分子的相关特性并进行对比。研究结果发现,ODOPB改性后环氧树脂分子主链上的键解离能和拉普拉斯键级都有所增加,分子表面静电势和平均局部离子化能的最大值有所降低,表明枝接ODOPB可以提高环氧树脂的热稳定性,并有助于提高其液氧相容性。研究为从分子层面研究ODOPB改性环氧树脂的液氧相容机理提供了理论基础。     

一种具有良好抑烟性能的磷杂菲阻燃剂在环氧树脂中的应用研究

本工作通过两步反应合成了一种磷杂菲类高效阻燃剂10-(2,5-二羟基二苯基)-10-氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-硫化物(DOPS-NQ),并将其用于环氧树脂(EP)的阻燃改性,探究了阻燃改性对EP材料阻燃性能、热性能及力学性能的影响.采用红外光谱(FTIR)和核磁共振确定了阻燃剂DOPS-NQ的结构,并通过氧指数(LOI)、垂直燃烧(UL-94)、热失重(TG)、锥形量热(CONE)测试了阻燃EP复合材料的阻燃性能和热性能.结果表明,在阻燃剂添加量较少的情况下,DOPS-NQ与聚磷酸铵(APP)复配时能够有效地抑制热量及烟气的释放,增大EP复合材料的LOI及残炭量.其中,当DOPS-NQ/APP的添加量为20％时,阻燃EP复合材料的LOI值增大到32.8％,锥形量热测试表明TSP和SPR分别减小了92％和91％,pHRR、THR、CO的释放量分别下降了81.6％、67.1％、93.3％,残炭量增加了46.5％,同时DOPS-NQ的加入也有助于提升EP复合材料的力学性能.     

聚磷酸酯阻燃剂的制备及其阻燃环氧树脂的性能研究

以9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)、衣康酸(ITA)及10-(2,5-二羟基苯基)-10-氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(ODOPB)等为原料,制备了一种新型聚磷酸酯阻燃剂聚2-[(10-氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物)亚甲基]丁二酸-1-[2-(10-氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物)]对苯二酚酯(POBHOP)。将其应用于环氧树脂EP(E-51)中,制备EP/POBHOP阻燃复合材料。利用极限氧指数(LOI)、垂直燃烧(UL-94)、热重分析(TGA)、拉伸和冲击测试等方法研究了该阻燃复合材料的燃烧性能、热稳定性和力学性能。实验结果表明,加入5%POBHOP后,EP/POBHOP复合材料的LOI达到30.3%,UL-94为V-0级,TGA显示700℃下剩余残炭量达39.49%。力学性能测试结果显示,EP/POBHOP复合材料拉伸强度和断裂伸长率均出现先增后降现象,冲击强度略微下降。     

聚酰胺-胺树形分子对环氧树脂力学性能的影响

采用聚酰胺-胺(PAM AM)树形分子改性环氧树脂。用超声波分散工艺、浇铸工艺和试样加工手段,制备了聚酰胺-胺树形分子改性环氧树脂浇铸体。利用Instron试验机测试其性能,用电子扫描显微镜(SEM)分析了改性体系的断口形貌。结果表明,聚酰胺-胺树形分子能同时提高环氧树脂的力学性能。拉伸强度和冲击强度提高幅度分别为18%(改性2.5G)和96%(树形2.5G),聚酰胺-胺树形分子(2.5G)优于液体丁腈橡胶(CBTN)改性环氧树脂;改性后的材料的冲击断口为塑性断裂。     

磷氮阻燃剂PDAB-DOPO的制备及阻燃环氧树脂复合材料性能研究

以对苯二胺、9,10-2H-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)、四氯化碳为原料制备磷氮阻燃剂6,6′-(1,4-亚苯基双(氮烷二基)双(6H-二苯并[c,e][1,2]氧杂磷苯-6-氧化物)(PDAB-DOPO)。利用傅里叶变换红外光谱仪、核磁共振氢谱仪对PDAB-DOPO结构进行了表征并将其用于阻燃环氧树脂;通过热失重分析对PDAB-DOPO及环氧树脂复合材料的热性能进行了表征,通过极限氧指数(LOI)和UL94测试对环氧树脂复合材料阻燃性能进行了表征,通过扫描电子显微镜对环氧树脂复合材料残炭形貌进行了分析。结果表明:当体系中磷质量分数为1.65%时,800℃时环氧树脂复合材料残炭量提高到18.9%,环氧树脂复合材料体系的LOI为27.3%,通过UL 94V-0级测试。扫描电子显微镜分析表明,PDAB-DOPO的加入使得环氧树脂体系残炭表面形貌发生明显变化,PDAB-DOPO对环氧树脂具有良好的阻燃效果。     

POSS嵌段共聚物改性环氧树脂

采用可逆加成-断裂转移聚合(RAFT)方法合成甲基丙烯酰氧丙基七异丁基笼形倍半硅氧烷(MAiBuPOSS)和9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物甲基丙烯酸乙酯(HEPO)的嵌段共聚物PMAiBuPOSS-b-PHEPO(BCP),用于改性双酚A型环氧树脂。利用扫描电镜表征环氧树脂复合材料的断面形貌,发现PMAiBuPOSS-b-PHEPO嵌段共聚物可在环氧树脂中发生自组装,形成了以POSS嵌段为核、含磷嵌段为壳的核壳结构自组装体。动态力学分析、热重分析、差示扫描量热分析、垂直燃烧测试(UL-94)及极限氧指数(LOI)研究表明,PMAiBuPOSS-b-PHEPO嵌段共聚物中PHEPO链段增强了聚合物与环氧树脂的相容性,PMAiBuPOSS链段显著提高了环氧树脂的热稳定性和阻燃性能。当PMAiBuPOSS-b-PHEPO质量分数为5%时,环氧树脂复合材料LOI值为33.0%,UL-94燃烧等级为V-0级,且其力学性能也得到显著提升。     

石墨烯-多壁碳纳米管协同增强环氧树脂复合材料的低温力学性能

为了提高环氧树脂的低温力学性能,采用石墨烯与多壁碳纳米管(MWCNTs)协同改性环氧树脂,系统研究了石墨烯-MWCNTs/环氧树脂复合材料的室温(RT)和低温(77K)力学性能。结果表明:当石墨烯的质量分数为0.1wt%,MWCNTs的质量分数为0.5wt%时,纳米填料的加入可同时改善环氧树脂的低温拉伸强度、弹性模量和冲击强度;在此最佳含量下,石墨烯-MWCNTs/环氧树脂复合材料在RT和77K时的拉伸强度皆达到最大值,比纯环氧树脂的拉伸强度分别提高了11.04%和43.78%。石墨烯和MWCNTs能协同提高环氧树脂的低温力学性能。     

氧化石墨烯有序排列对碳纤维增强环氧树脂复合材料低温性能影响

为了提高碳纤维增强环氧树脂复合材料在低温(77 K)循环条件下的微裂纹抗性,文中采用共沉淀法制备了具有良好顺磁性的四氧化三铁/氧化石墨烯(Fe_3O_4/GO),采用红外光谱、X射线衍射、扫描电镜、透射电镜等手段研究了Fe_3O_4/GO在环氧树脂基体中的有序排列对环氧树脂及碳纤维增强环氧树脂复合材料低温性能的影响。结果表明,Fe_3O_4/GO的有序排列可有效提高环氧树脂基体的低温力学性能及降低环氧树脂基体的热膨胀系数,并可明显改善碳纤维增强环氧树脂(CF/EP)复合材料的低温微裂纹抗性;相对于纯环氧树脂,改性环氧树脂的热膨胀系数和低温环境下的微裂纹密度分别降低了36.5%和37.5%。     

碳纳米管有序排列对碳纤维增强环氧树脂基复合材料低温性能的影响

为了提高碳纤维增强环氧树脂(CF/EP)复合材料在低温(77K)循环条件下的抗微裂纹性能,采用共沉淀法制备了具有良好顺磁性的Fe_3O_4修饰氧化碳纳米管(Fe_3O_4-O—MWCNTs),并研究了Fe_3O_4-O—MWCNTs在环氧树脂(EP)基体中的有序排列对EP及CF/EP复合材料低温性能的影响。结果表明:Fe_3O_4-O—MWCNTs的有序排列可有效提高EP基体的低温力学性能及降低EP基体的热膨胀系数,相对于纯EP,Fe_3O_4-O—MWCNTs改性EP的热膨胀系数降低了41.6%;相对于CF/EP复合材料,Fe_3O_4-O—MWCNTs改性CF/EP复合材料在低温环境下的微裂纹密度降低了56.2%。     

磷系阻燃剂的微胶囊化及其在聚合物中的应用研究进展

磷系阻燃剂是阻燃效率较高的一类无卤阻燃剂,但同时存在易吸水,与基体相容性差,热稳定性不好等缺点。微胶囊化是近年来克服这些缺点的有效途径。通过分子设计不同的囊壳对阻燃剂进行微胶囊化改性,不仅可以改善阻燃剂的物理性质,还可以提高阻燃材料的阻燃性能。文中介绍了三聚氰胺-甲醛树脂、聚氨酯、环氧树脂、有机硅以及纤维素等不同囊壳材料对微胶囊化的阻燃剂及阻燃复合材料性能的影响,研究表明微胶囊化改性后的阻燃剂的耐水性、热稳定性与基体的相容性以及阻燃材料的力学性能均得到有效的提高。     

DOPO衍生物的合成与阻燃应用研究现状

由于含卤阻燃剂的毒性和环境问题,磷系阻燃剂因环境友好而逐渐受到重视并引起了广泛关注。9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)衍生物作为一种磷系阻燃剂,自进入人们的视野以来,其合成方法和化学结构不断得到优化,近几年内取得了显著的成果。DOPO衍生物在气相和凝聚相阻燃,具有热稳定性高、耐水性好等特点,被广泛应用于阻燃高分子材料。根据DOPO衍生物所具有的官能团的不同,可将DOPO衍生物作为反应型或添加型阻燃剂应用到环氧树脂、聚酯和工程塑料中。许多具有P-C,P-N和P-O功能键的DOPO衍生物被合成。大多数具有P-C键的DOPO衍生物被应用到阻燃环氧树脂中,而具有P-N和P-O键的DOPO衍生物则大多被应用到阻燃聚氨酯泡沫、环氧树脂和工程塑料中。通过化学反应,DOPO上的P-H键可被P-C键取代。这种反应包括亲核加成/取代和分子重排。P-杂原子键类DOPO衍生物主要分为两种类型,分别是以P-O键为代表的膦酸酯类DOPO衍生物和以P-N键为代表的氨基磷酸酯类DOPO衍生物。其实质是P-H键到P-O键和P-N键的转化。合成P-杂原子键类DOPO衍生物的两种主要路径是Atherton-Todd反应和DOPO-Cl作为起始反应物。在聚合物中加入磷系阻燃剂,能够赋予其较好的阻燃性能。然而,由于P-C、P-O等含磷基团弱键的引入,使阻燃聚合物的力学性能受到负面影响。而DOPO衍生物磷含量较低,可减少含磷基团的负面影响。因此,添加DOPO类衍生物的阻燃高分子材料的力学性能相比添加其他磷系阻燃剂的阻燃高分子材料更有优势。知悉反应原理是研究合成DOPO衍生物的关键。本文概述了DOPO衍生物的合成原理与方法,介绍了DOPO衍生物阻燃应用的研究现状,以期为新型DOPO衍生物阻燃剂的合成与应用提供参考。DOPO衍生物对聚合物力学性能的影响将是今后重点关注的方向。     

三维石墨烯-吡咯气凝胶/环氧树脂复合材料的制备及其性能EI北大核心CSCD

通过三步法及真空辅助浸渍的方法制备了石墨烯-吡咯气凝胶/环氧树脂复合材料,该复合材料质轻并且内部的多孔石墨烯-吡咯气凝胶具有较为均一的三维结构,在与环氧树脂复合之后,这种三维结构也能很好地保留。石墨烯的三维网络为电子传导提供了快速通道,使材料的导电性能显著提高,仅有0.23%(质量分数)填料含量的石墨烯-吡咯气凝胶/环氧树脂复合材料(1G-1%P,1300℃)的电导率可以达到67.1 S/m。石墨烯-吡咯气凝胶/环氧树脂复合材料(1G-1%P,1300℃)的电磁屏蔽性能在8~12 GHz可以达到33 dB,更重要的是石墨烯-吡咯气凝胶骨架还起到了增强环氧树脂基体力学性能的作用,弯曲强度和弯曲模量与环氧树脂基体相比分别提高了60.93%和25.98%(10G-5%P,180℃),石墨烯-吡咯气凝胶的三维结构可以有效地改善材料整体的电磁屏蔽性能以及力学性能。     

碳纳米管/石墨烯杂化材料改性环氧树脂力学性能研究

通过超声离心将酸化石墨烯和羟基化的多壁碳纳米管按照不同比例成功合成碳纳米管/石墨烯杂化材料。将杂化材料分散在环氧树脂体系中制备环氧树脂复合材料样条,研究杂化材料对环氧树脂力学性能的影响。通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和拉伸力学性能测试分析了杂化材料的分散性等微观结构以及环氧树脂复合材料的力学性能及断面形貌。碳纳米管/石墨烯杂化材料对环氧树脂有增强增韧的效果,其中石墨烯与碳纳米管之比为2∶1的杂化材料对环氧树脂的增强增韧效果最好。     

蒙脱土协同膨胀阻燃环氧树脂复合材料的制备及阻燃性能

以9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)、磷腈为基础单元合成阻燃剂六(4-DOPO羟甲基苯氧基)环三磷(DOPOMPC),将其与聚磷酸铵(APP)复配添加至环氧树脂(EP)制备出阻燃复合材料(DOPOMPC/APP/EP)。为进一步提高阻燃环氧树脂的阻燃及力学性能,添加不同质量分数的蒙脱土(MMT)制出新型阻燃环氧树脂材料(DOPOMPC/APP/MMT/EP)。通过极限氧指数(LOI)、水平燃烧、锥形量热、扫描电子显微镜观察等方法研究了蒙脱土与DOPOMPC的协同效应。实验结果表明,EP4(10%DOPOMPC/10%APP/3%MMT/77%EP)各项燃烧参数得到了最佳改善,复合材料综合表现最优。其中LOI值达到38.2%;热释放速率峰值较未经MMT处理的阻燃复合材料EP1(10%DOPOMPC/10%APP/EP)下降了29.1%;比消光面积平均值和一氧化碳释放率平均值分别降低了72.7%和65.5%;火势增长指数、发烟指数和毒性气体生成速率指数较EP1降幅分别达到38.2%、13.1%和34.0%;拉伸强度、弯曲强度和冲击强度比EP1分别提高了25.4%、12.7%和1.97倍,呈现出良好的阻燃、抑烟、抑毒性能。炭层宏观和微观形貌表明,添加MMT的阻燃材料在燃烧初期能够形成更致密、坚硬的优质炭层。     

改性环氧树脂对芳纶纤维增强天然橡胶性能的影响

采用聚丁二烯改性环氧丙烯酸酯(改性环氧树脂)与马来酸酐化低分子量聚丁二烯橡胶(MLPB)均匀涂覆在热处理后的芳纶纤维(AF)表面,使其完全浸润,再将混合物与天然橡胶(NR)制备成母炼胶。探究了改性环氧树脂含量对纤维增强NR复合材料综合性能影响。通过对硫化性质和力学性能分析,改性环氧树脂质量含量为0.1份时,NR复合材料综合性能最佳。胶料的流变性能和拉伸断面形貌分析表明,改性环氧树脂预处理芳纶,改善纤维与基体的粘结,减弱了Payne效应,提高了复合材料的力学性能。     

环氧树脂/超支化聚酯/纳米SiO2复合材料的制备及性能

采用超支化聚酯与聚硅酸溶胶共混改性环氧树脂,制备了环氧树脂/超支化聚酯/纳米SiO2三元共混体系纳米复合材料。研究了超支化聚酯/聚硅酸溶胶增韧改性环氧树脂固化体系的力学性能及热性能,通过X射线衍射(WAXD)、差示扫描量热(DSC)、热重分析(TGA)及扫描电镜(SEM)等测试手段对材料的微观相态结构与性能进行了表征。结果表明,超支化聚酯/聚硅酸的加入使纳米复合材料的力学性能和热性能得到明显提高。当纳米SiO2的含量为1%(质量分数,下同)时冲击强度比纯环氧树脂提高了10.48kJ/m2,材料的起始热分解温度也提高了27℃。     

改性二氧化钛/DPPA阻燃环氧树脂的制备及性能

采用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTS)对亲水性纳米二氧化钛(TiO_2)进行表面改性,用FT-IR和TG对改性TiO_2结构进行表征。然后将不同量的改性二氧化钛与固定量的5,10-二氢-磷杂吖嗪-10-氧化物(DPPA)进行复配,添加到环氧预聚物中制备阻燃环氧树脂,对环氧树脂的阻燃、力学和热性能进行研究。结果表明,APTS对TiO_2改性成功。2.5%(质量分数)DPPA与0.05%(质量分数)改性TiO_2构成的复配阻燃剂,能使环氧树脂的阻燃级别达到UL-94 V-0级,LOI值由24.2%提高至28.8%。该阻燃环氧树脂的拉伸强度和弯曲强度分别为86.52和116.75 MPa,与未加阻燃剂的环氧树脂相比,拉伸强度和弯曲强度分别提高了6.66和8.25 MPa。且其初始降解温度(T_(5%))和玻璃化转变温度(T_g)分别高达364.3和162.0℃,所制备阻燃环氧树脂材料具有较好的综合性能。     

硫化DOPO衍生物阻燃环氧树脂的性能与阻燃机制

为了获得综合性能好的阻燃环氧树脂(EP)复合材料,将9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-硫化物(DOPS)的衍生物应用于EP。首先,通过DOPS和马来酸酐(MAH)反应合成磷杂菲衍生物马来酸酐-9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-硫化物(MAH-DOPS),采用FTIR、¹H NMR、³¹P NMR等手段确定其结构;其次,分别将DOPS和MAH-DOPS添加到EP中,通过共混制备复合材料DOPS/EP和MAH-DOPS/EP;再次,对比了DOPS/EP和MAH-DOPS/EP的热稳定性、阻燃性能和力学性能;最后,探讨了MAH-DOPS对EP的燃烧性能和热降解行为的影响,深入分析其阻燃机制。通过对比发现：阻燃剂DOPS的初始分解温度(T_5%,205.4℃)低于MAH-DOPS(235.2℃),在添加相同质量分数的阻燃剂时,复合材料DOPS/EP的热稳定性也低于MAH-DOPS/EP,与阻燃剂热稳定性一致;阻燃剂DOPS和MAH-DOPS均能改善EP的阻燃性能,MAH-DOPS/EP具有更优异的阻燃效果。...     

DOPO改性介孔分子筛阻燃剂的制备及其在聚丙烯中的应用

用DOPO(9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物)对介孔分子筛MCM-41进行表面改性,将改性后的MCM-41作为阻燃协效剂与聚磷酸铵(APP)、季戊四醇(PER)及三聚氰胺(MEL)复配阻燃剂,研究了添加改性MCM-41对PP阻燃性能、力学性能和热性能的影响。结果表明,添加少量DOPO改性分子筛即可显著提高PP的阻燃性能,当改性分子筛的添加量为1%时阻燃PP的氧指数为32.6,比纯PP的提高91.76%;热重分析、动态热机械能分析和扫描电镜分析的结果表明,添加少量的改性分子筛MCM-41可催化APP/PER/MEL间的酯化反应,促进体系成炭,形成更紧密的炭层,从而提高材料的阻燃性能。     

热塑性塑料对环氧树脂热膨胀系数的影响研究

环氧树脂基体的热膨胀系数(CTE)对碳纤维增强环氧树脂层状材料的性能影响巨大,如何降低环氧树脂基体的CTE是提高碳纤维增强环氧树脂复合材料低温使用性能的关键。本研究采用聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚碳酸酯(PC)和聚醚酰亚胺(PEI)3种热塑性塑料改性环氧树脂,研究了这3种热塑性塑料对环氧树脂基体CTE的影响。结果表明:这3种热塑性塑料分子链中的羰基在环氧树脂固化过程中可与环氧分子侧链上的羟基形成氢键作用,从而加强了热塑性塑料与环氧树脂的界面作用;采用这3种热塑性塑料改性环氧树脂均可提高环氧树脂基体的玻璃化转变温度;相对于纯环氧树脂,PBT、PEI和PC改性的环氧树脂在玻璃化转变温度下的CTE分别降低了14.99%、17.44%和23.96%,但在玻璃化转变温度上的CTE均高于纯环氧树脂。