DIDOPO与POSS/EG协同阻燃环氧树脂泡沫及机理研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.09.006

中国塑料 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (9): 38-45.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2022.09.006

DIDOPO与POSS/EG协同阻燃环氧树脂泡沫及机理研究

杨金¹(), 陈鹏然², 高培鑫²

^1.湖南工业大学城市与环境学院，湖南株洲 412000
^2.华南理工大学材料科学与工程学院，广州 510000

收稿日期:2022-05-18 出版日期:2022-09-26 发布日期:2022-09-26
作者简介:杨金（1982—），男，博士，高级工程师，从事聚合物复合材料的创新设计、成型和应用领域研究，470325362@qq.com

Preparation and flame-retardant mechanism of epoxy foams synergistically modified with DIDOPO and POSS/EG

YANG Jin¹(), CHEN Pengran², GAO Peixin²

^1.School of City and Environment，Hunan University of Technology，Zhuzhou 412000，China
^2.School of Materials Science and Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510000，China

Received:2022-05-18 Online:2022-09-26 Published:2022-09-26

摘要/Abstract

摘要：

以对苯乙基桥链9，10⁃二氢⁃9⁃氧杂⁃10⁃磷杂菲⁃10⁃氧化物（DIDOPO）、聚甲基倍半硅氧烷（POSS）、膨胀石墨（EG）为复配阻燃剂对环氧树脂（EP）泡沫进行阻燃改性，研究了复配阻燃剂对EP泡沫材料的阻燃效果和阻燃机理。结果表明，当DIDOPO/POSS=3∶1（质量比，下同）、DIDOPO/EG=1∶3时，复配阻燃体系的阻燃效果最佳；添加20 %（质量分数，下同） DIDOPO/POSS复配阻燃剂的加入可以使EP泡沫的UL 94测试达到V⁃0级；添加20 %的 DIDOPO/EG复配体系可以使EP泡沫的极限氧指数（LOI）提高至30.8 %，UL 94测试达到V⁃0级；阻燃体系具有一定的抑烟效果。

关键词: 环氧树脂, 泡沫, 阻燃, 协同作用, 阻燃机理

Abstract:

For the epoxy foams prepared using a room⁃temperature foaming method with hydrogen as an air source， the carbon layer formed on the surface of the foams is more easily damaged during the combustion process. The damaged carbon layer cannot effectively isolate heat and oxygen， leading to poor fire resistance. Flame⁃retardant In this work， a type of flame⁃retardant epoxy foams was prepared using p⁃phenethyl bridge⁃chain 9，10⁃dihydro⁃9⁃oxa⁃10⁃phosphaphenanthrene⁃10⁃oxide （DIDOPO）， polymethylsilsesquioxane （POSS）， and expandable graphite （EG） as flame retardants. When the mass ratios of DIDOPO to POSS and DIDOPO to EG were set to 3∶1 and 1∶3， respecitively， the epoxy foams obtained an optimal flame⁃retardant effect. With the addition of 20 wt% DIDOPO/POSS composite flame retardants， the epoxy foams achieved a UL 94 V⁃0 classification in the vertical burning test. The addition of 20 wt% DIDOPO/EG composite flame retardants enabled the epoxy foams to obtain a limiting oxygen index of 30.8 vol% together with a UL 94 V⁃0 classification for their flame⁃retardant level. This foaming system also exhibited a certain smoke suppression effect.

Key words: epoxy resin, foam, flame retardant, synergy, flame retardant mechanism

中图分类号:

TQ323.5

杨金, 陈鹏然, 高培鑫. DIDOPO与POSS/EG协同阻燃环氧树脂泡沫及机理研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(9): 38-45.

YANG Jin, CHEN Pengran, GAO Peixin. Preparation and flame-retardant mechanism of epoxy foams synergistically modified with DIDOPO and POSS/EG[J]. China Plastics, 2022, 36(9): 38-45.

图/表 12

图1 聚甲基氢硅氧烷与胺类固化剂反应式

Fig.1 Reaction formula of polymethylhydrogensiloxane and amine curing agent

样品名称	TTI/s	T_d/s	PHRR/kW·m^-2	THR·TML/MJ·m^-2·g^-1	CY/%	LOI/%
EP	60	397	991.50	3.04	2.3	21.0
EP 泡沫	13	492	444.36	2.93	3.4	18.4

表1 未发泡EP样品和EP泡沫样品锥形量热计数据和LOI

Tab.1 Sample cone calorimeter data and limiting oxygen index

图2 未发泡EP样品和EP泡沫样品的HRR曲线

Fig.2 HRR curves of unfoamed epoxy resin and epoxy foam samples

样品名称	LOI/%	UL 94
样品名称	LOI/%	t₁/t₂^a	等级
EP/DIDOPO10^b （未发泡）	26.0	6.21/1.20	V⁃0
EP/DIDOPO5	20.0	—^c	NR^d
EP/DIDOPO10	20.6	—	NR
EP/DIDOPO15	22.0	15.33/-	NR
EP/DIDOPO20	22.6	8.31/17.49	V⁃1
EP/DIDOPO25	23.7	4.36/12.28	V⁃1

表2 DIDOPO阻燃样品的燃烧性能

Tab.2 Combustion performance of epoxy foam with DIDOPO flame⁃retardant

样品名称	LOI/%	UL 94
样品名称	LOI/%	t₁/t₂	等级
EP/DIDOPO16/POSS4	22.6	11.15/2.37	V⁃1
EP/DIDOPO15/POSS5	22.8	7.15/1.37	V⁃0
EP/DIDOPO10/POSS10	22.6	12.78/7.84	V⁃1
EP/DIDOPO5/POSS15	22.8	-	NR
EP/POSS20	20.4	-	NR
EP/DIDOPO11.25/POSS3.75	21.8	17.35/8.76	V⁃1
EP/DIDOPO18.75/POSS6.25	25.0	2.51/0	V⁃0

表3 DIDOPO与POSS协同阻燃EP泡沫样品的燃烧性能

Tab.3 Combustion performance of the epoxy foam with DIDOPO and POSS synergistic flame retardant

样品名称	LOI/%	UL 94
样品名称	LOI/%	t₁/t₂	等级
EP/DIDOPO15/EG5	24.8	8.62/NR	NR
EP/DIDOPO10/EG10	28.8	1.61/2.10	V⁃0
EP/DIDOPO5/EG15	30.8	1.29/6.65	V⁃0
EP/DIDOPO6.25/EG18.75	28.4	5.67/-	NR
EP/DIDOPO3.75/EG11.25	27.0	4.16/18.71	V⁃1
EP/EG20	27.2	-	NR

表4 DIDOPO与EG协同阻燃EP泡沫样品的燃烧性能

Tab.4 Combustion performance of the epoxy foam with DIDOPO and EG synergistic flame⁃retardant

样品名称	TTI/s	T_d/s	PHRR/kW·m^-2	THR/MJ·m^-2	THR·TML/MJ·m^-2·g^-1	TSR/m²·m²	CY/%
EP	13	492	444.36	149.85	2.93	4282	3.4
EP/DIDOPO25	40	603	285.58	113.86	1.75	10834	8.2
EP/DIDOPO18.75/POSS6.25	18	633	241.09	112.34	1.86	8685	16.1
EP/DIDOPO6.25/EG18.75	11	884	66.48	81.80	2.50	393	56.5
EP/DIDOPO5/EG15	15	1823	181.05	99.05	3.18	1013	53.3

表5 EP泡沫样品与阻燃EP样品的锥形量热数据

Tab.5 Cone calorimeter test results of the epoxy foam samples and flame⁃retardant epoxy resin samples

图3 EP泡沫样品与阻燃EP泡沫样品的HRR曲线

Fig.3 HRR curves of epoxy resin foam samples and flame⁃retardant epoxy foam samples

图4 EP泡沫样品的锥量测试残余炭层数码照片

Fig.4 Digital photo of the residual carbon layer of the epoxy foam samples

图5 EP泡沫样品的锥量测试后残炭的SEM图像

Fig.5 SEM image of different epoxy foam samples

图6 EP泡沫样品与阻燃EP泡沫样品的挥发性气体的红外吸收光谱

Fig.6 Infrared absorption spectra of volatile gases in epoxy resin foam samples and flame⁃retardant epoxy foam samples

图7 EP泡沫样品的烟密度曲线和重要参数对比

Fig.7 Smoke density curves and comparison of important parameters between epoxy resin foam sample and flame⁃retardant epoxy foam sample

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DIDOPO与POSS/EG协同阻燃环氧树脂泡沫及机理研究

Preparation and flame-retardant mechanism of epoxy foams synergistically modified with DIDOPO and POSS/EG

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