氮化硼/磷杂菲三嗪化合物阻燃导热聚碳酸酯复合材料的制备及其性能研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.03.006

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (3): 31-37.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.03.006

氮化硼/磷杂菲三嗪化合物阻燃导热聚碳酸酯复合材料的制备及其性能研究

张俊¹^,²^,³, 奚望¹^,²^,³(), 钱立军¹^,²^,³, 周凤帅¹, 邱勇¹^,²^,³, 王靖宇¹^,²^,³, 张志鹏⁴

^1.北京工商大学化学与材料工程学院，北京 100048
^2.中国轻工业先进阻燃剂工程技术研究中心，北京 100048
^3.石油和化工行业高分子材料无卤阻燃剂工程实验室，北京 100048
^4.北京建筑材料检验研究院股份有限公司，北京 100041

收稿日期:2023-09-01 出版日期:2024-03-26 发布日期:2024-03-28
通讯作者: 奚望（1992-），工学博士，讲师，硕士研究生导师，从事环境友好型高性能阻燃无卤阻燃剂的设计、制备及其在聚合物材料中的阻燃行为机理研究，xiwang@btbu.edu.cn
E-mail:xiwang@btbu.edu.cn
基金资助:
北京市自然科学基金项目(2232047);国家自然科学基金(22005009);北京工商大学青年教师科研启动基金项目(QNJJ2022?28)

Preparation and characterizations of flame⁃retardant and heat⁃conductive polycarbonate⁃based composites with boron nitride and phosphaphenanthrene

ZHANG Jun¹^,²^,³, XI Wang¹^,²^,³(), QIAN Lijun¹^,²^,³, ZHOU Fengshuai¹, QIU Yong¹^,²^,³, WANG Jingyu¹^,²^,³, ZHANG Zhipeng⁴

^1.College of Chemistry and Materials Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China
^2.China Light Industry Advanced Flame Retardant Engineering Technology Research Center，Beijing 100048，China
^3.Petroleum and Chemical Industry Engineering Laboratory of Non?halogen Flame Retardants for Polymers，Beijing 100048，China
^4.Beijing Building Materials Testing Academy Co，Ltd，Beijing 100041，China

Received:2023-09-01 Online:2024-03-26 Published:2024-03-28
Contact: XI Wang E-mail:xiwang@btbu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

基于氮化硼（BN）/磷杂菲三嗪化合物（TAD）构建了阻燃导热聚碳酸酯（PC）复合材料，并对其阻燃性能和导热性能进行了研究。结果表明，BN/TAD阻燃导热复合体系能够有效提高PC复合材料的阻燃性能，当BN添加量为20 %，TAD含量为3 %时，PC/20BN/3TAD复合材料的垂直燃烧测试达到UL 94 V⁃0级，极限氧指数达到35.1 %；通过锥形量热仪测试，证明了BN/TAD阻燃导热复合体系能够有效降低热释放速率峰值、总热释放量、有效燃烧热等性能参数，并且二者在凝聚相中可以发挥出色的协同成炭效果，赋予PC复合材料优异的阻燃特性；从导热性能测试方面来看，BN/TAD阻燃导热复合体系的导热系数较纯PC相比提高了320 %，获得了兼具优异阻燃特性和出色导热性能的PC复合材料。

关键词: 聚碳酸酯, 阻燃, 导热性, 协同成炭

Abstract:

A series of flame⁃retardant and heat conductive polycarbonate （PC） composites with boron nitride （BN） and phosphafetriazine compound （TAD） was prepared， and its flame retardancy and thermal conductance were investigated. Combustion experimental results indicated that the incorporation of BN and TAD improved the flame⁃retardant performance of PC effectively. The PC composite containing 20 wt% BN and 3 wt% TAD reached a UL 94 V⁃0 level in the vertical burning test， and its limiting oxygen index was 35.1 vol%. Cone calorimetric experimental results indicated that the BN/TAD flame⁃retardant and thermal conductive system effectively reduced the peak heat release rate， total heat release， effective heat of combustion， and other performance parameters， and it could generate an excellent synergistic char⁃forming effect in the condensed phase， resulting in excellent flame⁃retardant performance for PC. Moreover， the PC/BN/TAD composite system obtained an increased in the thermal conductivity by 320 % compared to pure PC， indicating high thermal conductance along with excellent flame⁃retardant performance of the PC⁃matrix composites.

Key words: polycarbonate, flame retardant, thermal conductivity, cocarbonization

中图分类号:

TQ323.4⁺1

张俊, 奚望, 钱立军, 周凤帅, 邱勇, 王靖宇, 张志鹏. 氮化硼/磷杂菲三嗪化合物阻燃导热聚碳酸酯复合材料的制备及其性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(3): 31-37.

ZHANG Jun, XI Wang, QIAN Lijun, ZHOU Fengshuai, QIU Yong, WANG Jingyu, ZHANG Zhipeng. Preparation and characterizations of flame⁃retardant and heat⁃conductive polycarbonate⁃based composites with boron nitride and phosphaphenanthrene[J]. China Plastics, 2024, 38(3): 31-37.

图/表 14

图1 磷杂菲三嗪化合物（TAD）的分子结构式

Fig.1 Molecular structure formula of phosphoheterophentriazine compound （TAD）

图2 BN/TAD阻燃导热PC复合材料的制备流程图

Fig.2 The preparation flow chart of BN/TAD flame retardant and heat conduction PC composites

样品	组分含量/%
样品	PC	BN	TAD	PTFE	KH⁃560	抗氧剂168	抗氧剂1010
GPC	98.1	0	0	0.3	1	0.2	0.4
0BN/3TAD/PC	95.1	0	3	0.3	1	0.2	0.4
5BN/3TAD/PC	90.1	5	3	0.3	1	0.2	0.4
10BN/3TAD/PC	85.1	10	3	0.3	1	0.2	0.4
15BN/3TAD/PC	80.1	15	3	0.3	1	0.2	0.4
20BN/3TAD/PC	75.1	20	3	0.3	1	0.2	0.4

表1 PC复合材料的配方（质量分数）

Tab.1 Formula of PC composites

样品	LOI/%	阻燃级别
GPC	25.9	V⁃2
0BN/3TAD/PC	27.5	V⁃2
5BN/3TAD/PC	29.4	V⁃0
10BN/3TAD/PC	31.3	V⁃0
15BN/3TAD/PC	34.1	V⁃0
20BN/3TAD/PC	35.1	V⁃0

表2 BN/TAD阻燃导热PC复合材料的LOI和垂直燃烧等级

Tab.2 LOI and vertical combustion test data of BN/TAD flame retardant and heat conductive PC composites

样品	TTI/s	pk⁃HRR/kW·m^-2	THR/MJ·m^-2	av⁃EHC/MJ·kg^-1	TSP/m²	av⁃COY/kg·kg^-1	av⁃COY₂/kg·kg^-1	残炭率/%
GPC	38	678	39.5	21.05	13.05	0.119	1.81	17.22
0BN/3TAD/PC	35	570	41.0	20.87	14.83	0.124	1.78	10.69
5BN/3TAD/PC	34	374	37.1	20.15	14.31	0.128	1.73	17.98
10BN/3TAD/PC	41	319	33.25	18.90	17.02	0.120	1.68	24.99
15BN/3TAD/PC	49	304	32.65	20.05	13.74	0.101	1.79	31.66
20BN/3TAD/PC	54	278	29.94	18.87	15.45	0.113	1.70	35.11

表3 BN/TAD阻燃导热PC复合材料的锥形量热仪测试数据

Tab.3 Cone calorimeter test data of BN/TAD flame retardant and heat conductive PC composites

图3 BN/TAD阻燃导热PC复合材料的热释放速率曲线

Fig.3 HRR curves of BN/TAD flame retardant and heat conductive PC composites

图4 BN/TAD阻燃导热PC复合材料的总热释放量曲线

Fig.4 THR curves of BN/TAD flame retardant and heat conductive PC composites

样品	密度/g·cm^-3	温度/℃	热扩散系数/mm²·s^-1	比热容/J·g^-1·K^-1	导热系数/W·m^-1·K^-1
GPC	1.114	25	0.109	1.00	0.121
0BN/3TAD/PC	1.072	25	0.134	1.18	0.168
5BN/3TAD/PC	1.167	25	0.145	1.18	0.200
10BN/3TAD/PC	1.166	25	0.193	0.81	0.182
15BN/3TAD/PC	1.216	25	0.242	0.95	0.279
20BN/3TAD/PC	1.241	25	0.288	1.43	0.511

表4 BN/TAD阻燃导热PC复合材料导热性能的测试结果

Tab.4 Test heat⁃conducting property of BN/TAD flame retardant and thermally conductive PC composites

图5 BN/TAD阻燃导热PC复合材料的残炭率曲线

Fig.5 Residual char rate curve of BN/TAD flame retardant and thermally conductive PC composites

图6 BN/TAD阻燃导热PC复合材料的总烟产量曲线

Fig.6 TSP curves of BN/TAD flame retardant and thermally conductive PC composites

图7 BN/TAD阻燃导热PC复合材料锥形量热测试残炭照片

Fig.7 The cone calorimeter test residues photo of BN/TAD flame retardant and thermally conductive PC composites

图8 BN/TAD阻燃导热PC复合材料锥形量热测试残炭SEM照片

Fig.8 SEM photos of cone calorimeter test residues of BN/TAD flame retardant and thermally conductive PC composites

图9 BN/TAD阻燃导热PC热扩散系数与导热系数曲线

Fig.9 Thermal diffusivity and thermal conductivity curves of BN/TAD flame retardant and thermally conductive PC

图10 BN/TAD阻燃导热PC复合材料红外热成像摄像机照片

Fig.10 Infrared thermal imaging camera photo of BN/TAD flame retardant and thermally conductive PC composites

参考文献 30

1	Han Z， Fina A. Thermal conductivity of carbon nanotubes and their polymer nanocomposites： Areview ［J］. Progress in Polymer Science， 2011， 36（7）： 914⁃944.
2	Samsudin S S， Majid M S A， Jamir M A R， et al. Physical， thermal transport， and compressive properties of epoxy composite filled with graphitic⁃ and ceramic⁃based thermally conductive nanofillers［J］. Polymers， 2022，14 （5）：1 014.
3	Misiura A I， Mamunya Y P， Kulish M P. Metal⁃filled epoxy composites： mechanical properties and electrical/thermal conductivity［J］. Journal of Macromolecular Science， Part B： Physics， 2020，59 （2）： 121⁃136.
4	Sheshkar N， Verma G Pandey C， Sharma A K， et al. Enhanced thermal and mechanical properties of hydrophobic graphite⁃embedded polydimethylsiloxane composite［J］. Journal of Polymer Research， 2021， 28（11）： 403.
5	Krieg A S， King J A， Jaszczak D C， et al. Tensile and conductivity properties of epoxy composites containing carbon black and graphene nanoplatelets ［J］. Journal of Composite Materials. 2018，（52）： 3 909⁃3 918.
6	Hong H， Kim J U， Kim T I. Effective assembly of nano⁃ceramic materials for high and anisotropic thermal conductivity in a polymer composite［J］. Polymers，2017， 9（9）：413.
7	He J， Wang H， Qu Q Q， et al. Three⁃dimensional network constructed by vertically oriented multilayer graphene and SiC nanowires for improving thermal conductivity and operating safety of epoxy composites with ultralow loading［J］. Composites Part A⁃Applied Science and Manufacturing， 2020， 139： 106062.
8	Baek Y M， Shin P S， Kim J H， et al. Thermal transfer， interfacial， and mechanical properties of carbon fiber/polycarbonate⁃CNT composites using infrared thermography［J］. Polymer Testing， 2020， DOI： 10.1016/j. polymertesting.2019.106247 .
9	Cekon M， Sikula O. Experimental and numerical study on the thermal performance of polycarbonate panels［J］. Journal of Building Engineering， 2020， DOI： 10.1016/j.jobe.2020.101715 .
10	Wang J W， Li H R， Li G H， et al. Noncovalent functionalization of boron nitride and its effect on the thermal conductivity of polycarbonate composites［J］. Journal of Applied Polymer Science， 2017， DOI： 10.1002/app.44978 .
11	廖立敏，李建风，黄茜. 阻燃材料的研究及应用综述［J］. 山东化工， 2019， 48（17）： 87⁃88.
	LIAO L M， LI J F， HUANG Q. A review of the research and application of flame retardant materials［J］. Shandong Chemical， 2019， 48（17）： 87⁃88.
12	许德焕. 有机硅阻燃剂的合成及其阻燃聚碳酸酯的研究［D］. 常州：常州大学， 2021.
13	雷祖碧，马玫，胡行俊，等高阻燃透明PC材料性能的研究［J］. 塑料助剂， 2010 （1）： 39⁃40.
	LEI Z B， MA M， HU X J， et al. Research on the properties of highly flame⁃retardant transparent PC materials［J］. Plastic additives， 2010 （1）： 39⁃40.
14	唐荣芝，何航，马雅琳，等. 聚碳酸酯用阻燃剂研究进展［J］. 四川化工， 2019， 22（04）： 14⁃17.
	TANG R Z， HE H， MA Y L， et al. Research progress on flame retardants for polycarbonate［J］. Sichuan Chemical Industry， 2019， 22（04）： 14⁃17.
15	Pape P G， Romenesko D J. The role of silicone powders in reducing the heat release rate and evolution of smoke in flame retardant thermoplastics ［J］. Journal of Vinyl and Additive Technology， 1997， 3（3）： 225⁃232.
16	邹业成，申长念. 聚碳酸酯无卤阻燃剂研究进展［J］. 化工中间体， 2013， 10（3）： 15⁃18.
	ZOU Y C， SHEN C N. Research progress on polycarbonate halogen⁃free flame retardants［J］. Chemical intermediates， 2013， 10（3）： 15⁃18.
17	Ni P， Fang Y Y， Qian L J， et al. Flame⁃retardant behavior of a phosphorus/silicon compound on polycarbonate ［J］. Journal of Applied Polymer Science， 2018， 135（6）： 45 815⁃45 823.
18	Zhang W C， Li X M， Yang R J. Flame retardant mechanisms of phosphorus⁃containing polyhedral oligomeric silsesquioxane （DOPO⁃POSS） in polycarbonate composites［J］. Journal of Applied Polymer Science， 2012， 124（3）： 1 848⁃1 857.
19	Zhou W Y， Zhang Y T. Progress in intrinsic thermal conductive polymers［J］. China Synthetic Resin and Plastics， 2010， 27 （2）：69⁃73.
20	Huang C L， Qian X， Yang R G. Thermal conductivity of polymers and polymer nanocomposites［J］. Materials Science and Engineering R⁃Reports， 2018，132： 1⁃22.
21	施瑶. 高导热聚合物复合材料的制备与性能研究［D］. 上海：上海师范大学， 2020.
22	杨悦. 填充型聚合物基导热复合材料的e⁃DPD模拟研究［D］. 合肥：安徽大学， 2017.
23	Mamunya Y P， Davydenko V V， Pissis P， et al. Electrical and thermal conductivity of polymers filled with metal powders［J］. European Polymer Journal， 2002， 38（9）： 1 887⁃1 897.
24	Zouaoui F， Rouabah F， Nouar Y， et al. Effect of heat treatment on the thermophysical properties of copper⁃powder⁃filled polycarbonate and polycarbonate containing paraffin［J］. Journal of Polymer Engineering， 2019， 39（8）： 729⁃735.
25	文雯，刘述梅，傅轶，等. 高抗冲导热绝缘PC/PE/Al₂O₃复合材料的制备与性能［J］.高分子材料科学与工程， 2011， 27（05）： 137⁃140.
	WEN W， LIU S M， FU Y，et al. Preparation and properties of PC/PE/Al₂O₃ composites with high impact thermal conductivity and insulation［J］. Polymer Materials Science and Engineering， 2011， 27（05）： 137⁃140.
26	King J A， Via M D， Caspary J A， et al. Electrical and thermal conductivity and tensile and flexural properties of carbon nanotube/polycarbonate resins［J］. Journal of Applied Polymer Science， 2010， 118（5）：2 512⁃2 520.
27	Michael T M， Konrad H， Marco L， et al. Effect of graphite nanoplate morphology on the dispersion and physical properties of polycarbonate based composites［J］. Materials， 2017， 10（5）： 545⁃568.
28	Xiao C， Leng X Y， Zhang X， et al. Improved thermal properties by controlling selective distribution of AlN and MWCNT in immiscible polycarbonate （PC）/Polyamide 66 （PA66） composites［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2018，110： 133⁃141.
29	Zhou S T， Shi Y， Bai Y， et al. Preparation of thermally conductive polycarbonate/boron nitride composites with balanced mechanical properties［J］. Polymer Composites， 2020，41（12）： 5 418⁃5 427.
30	孙娜，曾小亮，陈鹏，等. 高导热氮化硼/聚碳酸酯复合材料的制备与性能研究［J］. 集成技术， 2017， 6（6）： 15⁃23.
	SUN N， ZENG X L， CHEN P， et al. Preparation and properties of high thermal conductivity boron nitride/polycarbonate composites［J］. Integrated technology， 2017， 6（6）： 15⁃23.

[1]	郝金灵, 陈雅君, 钱立军. 气凝胶在阻燃领域的研究进展[J]. 中国塑料, 2024, 38(3): 116-125.
[2]	徐锦佳, 黄腾, 柏志成, 沈佳豪, 谢清怡, 朱俊辉, 戴进峰, 刘元强, 詹先旭. 壳聚糖⁃磺化石墨烯层层自组装涂层对硬质聚氨酯泡沫的阻燃抑烟性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(3): 38-43.
[3]	张俊奚望钱立军周凤帅邱勇王靖宇张志鹏. 氮化硼/磷杂菲三嗪化合物阻燃导热聚碳酸酯复合材料的制备及其性能研究[J]. , 2024, 38(3): 31-37.
[4]	郝金灵陈雅君钱立军. 气凝胶在阻燃领域的研究进展[J]. , 2024, 38(3): 116-125.
[5]	孔子萌, 张简, 邓雅馨, 徐雪玲, 陈雅君. 阻燃聚丁二酸丁二醇酯的研究进展[J]. 中国塑料, 2024, 38(2): 105-117.
[6]	王栋. 金属有机框架基阻燃剂在阻燃领域的研究进展[J]. 中国塑料, 2024, 38(2): 118-125.
[7]	贾梦, 许准, 魏思淼, 张庆磊, 许博. 建筑用泡沫材料阻燃研究进展[J]. 中国塑料, 2024, 38(2): 52-60.
[8]	佟亚轩, 高海南, 陈礼平, 翁云宣. 生物基气凝胶的改性及功能化研究进展[J]. 中国塑料, 2024, 38(2): 87-94.
[9]	赵晓波, 王国泰, 梁淑君. 聚硅氧烷包覆改性聚磷酸铵及其阻燃聚乙烯性能的研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(1): 86-91.
[10]	张之琪, 李润焘, 杨瑞程, 代云良, 章晓娟, 温变英. 片状FeSiAl/Al₂O₃共填充聚偏氟乙烯复合材料的吸波导热性能研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(9): 44-50.
[11]	张慈海, 刘松, 周冬晴, 陈宇, 张婷婷, 钟柳, 刘治国. DOPO基反应型阻燃剂的合成与应用研究进展[J]. 中国塑料, 2023, 37(9): 64-74.
[12]	王文惠, 朱惠豪, 李果, 王玉, 武凡, 林镇斌, 马玉录, 谢林生. PP/PC光扩散材料的制备及其抗紫外性能优化[J]. 中国塑料, 2023, 37(8): 8-12.
[13]	宫芳芳陶梦伟王靖宇钱立军. 无卤阻燃热塑性聚烯烃弹性体的研究进展[J]. , 2023, 37(6): 123-130.
[14]	刘会媛马闯关俊霞李繁麟杨笑春张青. 磷化瓜尔胶与APP协同阻燃PLA的性能研究[J]. , 2023, 37(4): 53-59.
[15]	黄雅婷, 李连良, 张翼, 汤维, 钱立军. 水性膨胀型钢结构防火涂料研究进展[J]. 中国塑料, 2023, 37(2): 77-89.

氮化硼/磷杂菲三嗪化合物阻燃导热聚碳酸酯复合材料的制备及其性能研究

Preparation and characterizations of flame⁃retardant and heat⁃conductive polycarbonate⁃based composites with boron nitride and phosphaphenanthrene

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