Effects of different POSS on properties of phosphorus⁃silicon synergistic flame retardant epoxy resin

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.04.017

Abstract

Abstract:

The phosphorus?silicon synergistic flame?retardant epoxy resins were prepared separately by using two types of polyhedral oligomeric silsesquioxane （POSS） combined with 9，10?dihydro?9?oxa?10?phosphaphenanthrene?10?oxide （DOPO）?based organophosphorus flame retardants （D?bp）， and their flame retardant， thermal properties， mechanical， and dynamic mechanical properties were investigated. The results indicated that the phosphorus?silicon synergistic flame retardant epoxy resins obtained a UL 94 V?0 rating at a phosphorus content of only 0.25 wt%. The epoxy resins exhibited a peak heat release rate of 313.9 kW/m²， total heat release of 118.2 MJ/m²， and average effective combustion heat of 23.1 MJ/kg， which decreased by 66.6 %， 41.4 % and 26.9 % respectively when the Phenyl?POSS was compounded with D?bp. The combination of Epoxy?POSS and D?bp could simultaneously improve the flame retardant， thermal， mechanical， and dynamic mechanical properties of phosphorus?silicon synergistic flame retardant epoxy resins， indicating excellent comprehensive performance.

Key words: polyhedral oligomeric silsesquioxane, 9，10?dihydro?9?oxa?10?phosphaphenanthrene ?10?oxide, epoxy resin, halogen?free flame retardant, synergistic flame retardant

CLC Number:

TQ323.5

XU Weihua, ZHENG Yu, SHEN Xiangyang, ZHANG Yan, LIU Juwen, YAN Shijing. Effects of different POSS on properties of phosphorus⁃silicon synergistic flame retardant epoxy resin[J]. China Plastics, 2022, 36(4): 115-120.

Figures/Tables 11

References 15

1	王艳萍，刘晓琴，井新利，等．环氧树脂类玻璃高分子研究进展［J］．化学通报，2021，84（4）：313⁃321.
	WANG Y P， LIU X Q， JING X L， et al. Research progress in epoxy vitrimer［J］. Chemistry， 2021， 84（4）： 313⁃321.
2	李娟，郭杰，田野．高性能环氧树脂研究进展［J］．热固性树脂，2017，32（1）：59⁃65，70.
	LI J， GUO J， TIAN Y. Research progress of epoxy resins with high performance［J］. Thermosetting Resin， 2017， 32（1）： 59⁃65， 70.
3	曹学，赵小红，易强，等．覆铜板用特种环氧树脂现状及展望［J］．绝缘材料，2020，53（8）：10⁃18.
	CAO X， ZHAO X H， YI Q， et al. Present status and prospects of special epoxy resin for copper clad laminate［J］. Insulating Materials， 2020， 53（8）： 10⁃18.
4	邹政平，肖啸，田杰，等．无卤阻燃型环氧树脂的研究进展［J］．合成树脂及塑料，2020，37（1）：97⁃102.
	ZOU Z P， XIAO X， TIAN J， et al. Research progress of halogen⁃free flame⁃retardant epoxy resins［J］. China Synthetic Resin and Plastics， 2020， 37（1）： 97⁃102.
5	王晓慧，李想，程瑞香，等．无卤复合型阻燃剂对环氧树脂阻燃性能的影响［J］.高分子材料科学与工程，2019，35（11）：67⁃73.
	WANG X H， LI X， CHENG R X， et al. Effect of halogen⁃free composite flame retardant on flame retardancy of epoxy resin［J］. Polymer Materials Science and Engineering， 2019， 35（11）： 67⁃73.
6	姚忠樱，邱勇，杨喜生，等.基于磷杂菲基团阻燃环氧树脂的研究进展［J］.中国塑料，2020，34（5）：77⁃86.
	YAO Z Y， QIU Y， YANG X S， et al. Research progress in DOPO⁃based flame⁃retardant epoxy resins［J］. China Plastics， 2020， 34（5）： 77⁃86.
7	汤朔，孟乃奇，刘祯，等.无机硅化合物与磷杂菲/硼酸酯双基分子复合阻燃环氧树脂的研究［J］.中国塑料，2019，33（5）：25⁃29.
	TANG S， MENG N Q， LIU Z， et al. Effects of inorganic silica compound and phosphananthrene⁃borate molecular hybrid on flame retardant properties of epoxy resin［J］. China Plastics， 2019， 33（5）： 25⁃29.
8	罗琴琴，孙玉林.DOPO基膦酸铝盐的制备及其阻燃环氧树脂的性能研究［J］.高分子通报，2020（5）：31⁃38.
	LUO Q Q， SUN Y L. Preparation of DOPO⁃based aluminum phosphinate and its flame retarding epoxy resin［J］. Polymer Bulletin， 2020 （5）： 31⁃38.
9	唐巧林，赵雨，张凯鑫，等.自制高效无卤含磷阻燃剂阻燃环氧树脂研究［J］.中国塑料，2021，35（11）：111⁃119.
	TANG Q L， ZHAO Y， ZHANG K X， et al. Study on self⁃made high efficiency halogen⁃free phosphorus⁃containing flame⁃retardant epoxy resin［J］. China Plastics， 2021， 35（11）： 111⁃119.
10	王建航，许志彦，张玉鹏，等.磷杂菲/环氧树脂复合材料的热分解动力学研究［J］.功能材料，2020，51（11）：11 152⁃11 158.
	WANG J H， XU Z Y， ZHANG Y P， et al. Thermal decomposition kinetics of phosphaphenanthrene/epoxy composites［J］. Journal of Functional Materials， 2020， 51（11）： 11 152⁃11 158.
11	周伯龙，张明聪，史翎. 反应型有机硅阻燃剂研究进展［J］. 应用化学，2021，38（12）：1 556⁃1 575.
	ZHOU B L， ZHANG M C， SHI L. Research progress on reactive silicone flame retardants［J］. Chinese Journal of Applied Chemistry， 2021， 38（12）： 1 556⁃1 575.
12	刘磊春，吴义维，张文超，等.八氨苯基低聚硅倍半氧烷改性环氧树脂的力学和阻燃性能［J］.高分子材料科学与工程，2021，37（3）：50⁃57.
	LIU L C， WU Y W， ZHANG W C， et al. Mechanical properties and flame retardancy of epoxy resin modified with octa（aminophenyl） silsesquioxane［J］. Polymer Materials Science and Engineering， 2021， 37（3）： 50⁃57.
13	林海丹，刘赫，杨代勇，等. 有机硅改性环氧树脂的研究进展与展望［J］.化工新型材料，2021，49（10）：63⁃70.
	LIN H D， LIU H， YANG D Y， et al. Research progress and prospect of silicone modified EP［J］. New Chemical Materials， 2021， 49（10）： 63⁃70.
14	刘全义，刘传邦，彭晓亮，等.新型有机—无机阻燃环氧树脂的制备及性能研究［J］.塑料工业，2021，49（10）：37⁃41.
	LIU Q Y， LIU C B， PENG X L， et al. Study on preparation and properties of new organic⁃inorganic flame retardant epoxy resin［J］. China Plastics Industry， 2021， 49（10）： 37⁃41.
15	XU W H， WIRASAPUTRA A， LIU S M， et al. Highly effective flame retarded epoxy resin cured by DOPO⁃based co⁃curing agent［J］. Polymer Degradation and Stability， 2015， 122： 44⁃51.

样品编号	DGEBA/g	环氧基⁃POSS/g	苯基⁃POSS/g	DDM/g	D⁃bp/g	磷含量/%	硅含量/%
EP⁃1	100	0	0	25.3	0	0	0
EP⁃2	100	0	5	24.3	4.5	0.25	0.81
EP⁃3	95	5	0	24.5	4.4	0.25	0.66
EP⁃4	100	0	5	23.2	9.2	0.50	0.79
EP⁃5	95	5	0	23.8	8.9	0.50	0.64

样品编号	DGEBA/g	环氧基⁃POSS/g	苯基⁃POSS/g	DDM/g	D⁃bp/g	磷含量/%	硅含量/%
EP⁃1	100	0	0	25.3	0	0	0
EP⁃2	100	0	5	24.3	4.5	0.25	0.81
EP⁃3	95	5	0	24.5	4.4	0.25	0.66
EP⁃4	100	0	5	23.2	9.2	0.50	0.79
EP⁃5	95	5	0	23.8	8.9	0.50	0.64

样品	点燃时间/s	燃烧时间/s	熔融滴落	UL 94等级
EP⁃1	53	持续燃烧	有	无等级
EP⁃2	50	8.7±0.8	无	V⁃0
EP⁃3	51	8.6±1.1	无	V⁃0
EP⁃4	51	7.2±1.3	无	V⁃0
EP⁃5	51	5.1±1.4	无	V⁃0

样品	点燃时间/s	燃烧时间/s	熔融滴落	UL 94等级
EP⁃1	53	持续燃烧	有	无等级
EP⁃2	50	8.7±0.8	无	V⁃0
EP⁃3	51	8.6±1.1	无	V⁃0
EP⁃4	51	7.2±1.3	无	V⁃0
EP⁃5	51	5.1±1.4	无	V⁃0

样品	p⁃HRR/kW·m^-2	THR/MJ·m^-2	av⁃EHC/MJ·kg^-1
EP⁃1	939.2	201.8	31.6
EP⁃2	313.9	118.2	23.1
EP⁃3	515.7	157.2	23.9
EP⁃4	301.4	110.5	20.8
EP⁃5	446.7	135.3	21.3