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        環氧樹脂復合材料阻燃機理簡介

        放大字體  縮小字體 發布日期:2020-03-13  來源:吉林省華陽新材料研發有限公司  作者:韓春華  瀏覽次數:142
        核心提示:環氧樹脂是一類帶有2個或2個以上環氧基團的高分子聚合物。在環氧樹脂中,環氧基團可以位于高分子聚合物的任何位置如分子鏈的末端
            環氧樹脂是一類帶有2個或2個以上環氧基團的高分子聚合物。在環氧樹脂中,環氧基團可以位于高分子聚合物的任何位置如分子鏈的末端、中間或者呈環狀結構。環氧樹脂是一類力學性能好、耐腐蝕性強、熱穩定性好、電絕緣性好、易于加工、粘結性能好和結構穩定的有機高分子材料。所以環氧樹脂在建筑、機械、電子電氣和航空航天等領域被廣泛地應用。
         
            然而,環氧樹脂的氧指數僅為19.8,屬于極易燃材料,在火災事故中環氧樹脂往往是復合材料中最易燃燒的部分,而且失火后持續燃燒且發煙量巨大。因此,易燃性已成為制約其進一步推廣應用的障礙,因此對環氧樹脂進行阻燃改性一直是近年來研究的熱點。本文將對環氧樹脂的阻燃機理進行簡單介紹。
         
        一、阻燃環氧樹脂簡介
         
            環氧樹脂固化物的阻燃方法主要有反應型和添加型兩種,前者成本低廉,簡單易行,后者則對環氧樹脂制品的影響較小,阻燃效果也較好。添加型阻燃技術是將具有阻燃效應的物質 (即阻燃劑)直接與環氧樹脂共混,以提升環氧樹脂阻燃性能的方法。反應型阻燃方法是指將阻燃元素結合到環氧樹脂的大分子鏈中,并成為高聚物分子鏈上的一個鏈節,顯示高阻燃性同時不存在析出現象。在具備持久阻燃效果的同時,仍保持樹脂原有的熱學性質和力學性能等,這樣不會影響環氧樹脂后續的加工以及在各領域中的應用。
         
        二、添加型阻燃環氧樹脂
         
            添加型阻燃劑通常在轉變過程中加入,在這個階段并不與聚合物反應,只在較高的溫度下,在火焰開始時反應;它們通常是包含大分子的礦物質的添加物,雜化物或有機化合物。添加型阻燃劑包含:礦物型阻燃劑(氫氧化鋁 (ATH)、氫氧化鎂 (MH)、改性材料水滑石和氧化物等);鹵系阻燃劑(氯系阻燃劑和溴系阻燃劑);磷系阻燃劑(無機磷系阻燃劑和有機磷系阻燃劑);硅系阻燃劑(無機硅系阻燃劑和有機硅系阻燃劑)。
         
            我國市場鹵系及磷系阻燃劑仍是主流阻燃劑。無機等環保型阻燃劑雖然在研發過程中取得長足的進步但在市場應用上占有的比例非常小。但伴隨環保政策的制定與出臺,我國阻燃劑的發展逐步邁向無毒、環保、高效。所以目前國內科研工作者基于我國的實際現狀正致力于研究開發一些無毒環保型的鹵系阻燃劑以滿足市場需求,這樣不僅可以發揮傳統鹵系阻燃劑的優勢,還可以減小鹵系阻燃劑的危害。不僅如此,我國科研人員也在致力于新型無機阻燃劑的研發,努力克服無機阻燃劑效率低下、添加量大,以及對環氧樹脂等有機高分子的物理機械性能損傷大的缺陷。我們阻燃劑市場巨大,如若研究開發出新型、高效、環保的阻燃劑必有良好的前景,也有利于提高我國在國際阻燃劑市場上的競爭力。
         
        三、反應型阻燃環氧樹脂
         
            反應型阻燃方法主要有三種:用含阻燃結構的單體直接制備環氧樹脂;加入阻燃性固化劑;添加反應型阻燃劑或活性阻燃稀釋劑。不論是研制具有阻燃結構的環氧樹脂和固化劑,或是添加反應型的阻燃劑,其本身的分子結構是否阻燃,阻燃的效果如何,才是環氧樹脂阻燃改性的關鍵所在。阻燃環氧樹脂的研發從早期的含鹵環氧樹脂到近年來的無鹵阻燃環氧樹脂,所有的研究也致力于開發新型的阻燃結構以及如何將此類結構引入到環氧樹脂固化物網絡結構中,合成具有阻燃結構骨架的環氧樹脂或固化劑是其中的研究熱點,而早前的含鹵阻燃環氧樹脂和近年來的含磷阻燃環氧樹脂是報道最多的兩個領域。
         
        1)含鹵阻燃環氧樹脂
         
           阻燃性環氧樹脂是采用含有阻燃元素的單體合成而成的。鹵素元素氟、氯、溴、碘都具有阻燃性。其化合物穩定性的順序為F>Cl>Br>I。碘化物的穩定性最差,遇熱極易分解,因此實用性不高。氟化物的親和力最大,難以分解出具有阻燃作用的氟化氫,且裂解出的低分子氟化物毒性很大,所以其實用性也受到了限制。氯和溴不僅阻燃效果好,而且原料來源廣泛、易得、價格較低,所以應用最廣。目前國內外工業化生產的阻燃性環氧樹脂主要是含鹵阻燃環氧樹脂,最主要的,應用最廣的是含溴阻燃環氧樹脂。
         
        2)含磷結構阻燃環氧樹脂
         
           磷系化合物是阻燃材料中十分重要的一類,在環氧體系中引入少量的磷元素,便能達到很好的阻燃效果。例如環氧體系中磷含量僅為是2%,即可達到UL-94-V0,阻燃等級,而鹵素的含量通常需要9~23%才能達到同等阻燃效果。而且含磷阻燃劑及阻燃環氧樹脂相對含鹵環氧樹脂,對環境更為友好,因此學術界和工業界在這一領域的研究近年來十分活躍。
         
           含磷阻燃環氧樹脂固化物通常具有較高的玻璃化轉變溫度,良好的熱穩定性和阻燃性,且殘碳率和氧指數都隨磷含量的增加而提高。更為重要的是避免了溴化環氧樹脂在使用及回收過程中對環境造成的污染,使阻燃環氧樹脂研究向高效率、低發煙、低毒性的方向發展。
         
        四、阻燃環氧樹脂發展方向
         
           隨著對環氧樹脂阻燃化處理技術的深入研究,阻燃技術得到長足的發展。為了滿足市場的需求,阻燃劑未來的發展將趨向于以下七個方面:
         
           (1)無鹵化無毒化:鹵系阻燃劑在燃燒過程和中往往會釋放大量煙,并且釋放出來的鹵化物 (HX)等氣體具有毒性和高腐蝕性?;蛘咄ㄟ^阻燃劑間的協同作用抑制在燃燒過程中氣體的釋放即發揮鹵系阻性價比高的特點,也能減少毒性氣體的釋放。
         
           (2)抑煙無毒化:環氧樹脂等燃燒往往會釋放大量的煙,所以在燃燒的過程會使環境煙密度過大造成環境能見度低,此種情況不利于人們逃生并給救災造成困難?;诖搜芯块_發新型無毒抑煙的阻燃劑已成為市場發展的需要。
         
           (3)表面化處理:如果阻燃劑與環氧樹脂的相容性較差,合成出來的復合材料往往具有較差的機械和力學等性能。為了減少阻燃劑對環氧樹脂的破壞,常通過表面處理劑來處理阻燃劑和環氧樹脂來增加阻燃劑與材料的相容性。
         
           (4)微細化處理:在阻燃劑質量相同的條件下,阻燃劑的顆粒越大則與環氧樹脂的接觸面積越小,這種情況會導致材料間的相容性降低進而影響復合材料的物理性能。通過對阻燃劑微細化或者納米化會減少上述問題,有利于提高阻燃劑的性能,減少阻燃成本,微細化處理是工業常用的一種手段。 
         
           (5)協同效應:現如今研究開發的阻燃劑種類繁多,但每種阻燃劑的作用機理各有差異,產生的作用效果也有不同。所以我們可以根據每種阻燃劑的作用效果將不同的阻燃劑按不同比例進行混合,發揮“1+1>2”的作用,在不損害材料本身性能的前提下既能降低阻燃成本,又能發揮阻燃抑煙的功能。 
         
           (6)具有較高熱穩定性的阻燃劑:環氧樹脂等高分子材料在合成過程往往需要在很高的溫度條件下進行合成,所以,具有較高熱穩定性的阻燃劑可以有效地避免在合成復合材料過程中阻燃劑的損失。
         
           (7)與環氧樹脂具有較好的相溶性:如果環氧樹脂等高分子材料與阻燃劑材料間具有較好的相容性,則合成的復合材料往往具有較好的熱穩定性、力學性能等。相似相溶原理常用來恒量阻燃劑與環氧樹脂的相容性,如果環氧樹脂與阻燃劑的結構與極性相近、相對分子質量近似則有利于提高兩者的相容性。而對于環氧樹脂與阻燃劑相容性不好材料,往往通過微膠囊化處理、偶聯劑表面活化處理等方面進行改善。
         
        關鍵詞: 復合材料 樹脂
         
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