高阻燃熱固性樹脂基復(fù)合材料的研究.pdf

1、輕質(zhì)、高強(qiáng)、高可設(shè)計(jì)性使得樹脂基復(fù)合材料（Polymer Composites，PCs）在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的眾多領(lǐng)域中扮演不可或缺的重要角色。PCs按增強(qiáng)體可分為顆粒增強(qiáng) PCs和纖維增強(qiáng) PCs。其中，碳納米管（CNT）以其高強(qiáng)度、高電導(dǎo)率、高模量等優(yōu)點(diǎn)，成為制備樹脂基納米復(fù)合材料的熱門增強(qiáng)體。玻璃纖維（GF）增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（GFRP）則是應(yīng)用最為廣泛的PCs。然而，科技的迅猛發(fā)展及人們安全意識(shí)的不斷增強(qiáng)對(duì)材料的阻燃性提出了普遍要求，而P

2、Cs存在阻燃性不足等缺點(diǎn)。人們圍繞高阻燃PCs展開了大量研究，但是普遍存在犧牲PCs原有優(yōu)異性能的問題。如何在保持PCs原有突出性能的基礎(chǔ)上，研制高阻燃PCs是當(dāng)今材料領(lǐng)域的重要研究課題。本文即是圍繞這個(gè)主題而開展的。
　　由于具有優(yōu)良的綜合性能，樹脂基復(fù)合材料（Polymer Composites，PCs）已經(jīng)成功應(yīng)用于眾多工業(yè)領(lǐng)域。PCs按增強(qiáng)體可分為顆粒增強(qiáng)PCs和纖維增強(qiáng)PCs。由于具有高強(qiáng)度、高電導(dǎo)率以及大比表面積等優(yōu)點(diǎn)

3、，碳納米管（CNT）成為制備樹脂基納米復(fù)合材料的熱門增強(qiáng)體。玻璃纖維（GF）增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（GFRP）是應(yīng)用最為廣泛的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。然而，PCs存在阻燃性不足等缺點(diǎn)，現(xiàn)有方法雖然提高了PCs阻燃性能，但是往往犧牲它們?cè)械膬?yōu)異性能。如何在保持 PCs原有突出性能的基礎(chǔ)上，研制高阻燃PCs是當(dāng)今材料領(lǐng)域的重要研究課題。本文即是圍繞這個(gè)主題而開展的。
　　首先，將9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物（DO

4、PO）通過環(huán)氧樹脂接枝于多壁碳納米管（MWCNTs），制備了新型含磷碳納米管（PMWCNTs），在此基礎(chǔ)上制備了PMWCNT/氰酸酯（CE）復(fù)合材料，系統(tǒng)地探討了PMWCNTs對(duì)CE預(yù)聚物的固化反應(yīng)性及固化物綜合性能（如阻燃、熱穩(wěn)定性、力學(xué)性能和介電性能）的影響。研究表明，PMWCNT/CE復(fù)合材料的性能與PMWCNTs含量密切相關(guān)，究其本質(zhì)是因?yàn)?PMWCNTs含量對(duì)復(fù)合材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著影響。與 CE和DOPO/C

5、E樹脂及MWCNT/CE復(fù)合材料相比，添加適量PMWCNTs可以顯著提高復(fù)合材料的阻燃、熱穩(wěn)定性與力學(xué)等性能。當(dāng)MWCNTs和PMWCNTs的添加量分別接近滲流閾值（fc）時(shí)，與MWCNT/CE復(fù)合材料相比，PMWCNT/CE復(fù)合材料具有更高的介電常數(shù)和更低的介電損耗。
　　第二，將含磷超支化聚硅氧烷（EPHSi）接枝于MWCNTs，制備了新型含磷-硅碳納米管（EPHSi-g-MWCNTs）及其EPHSi-g-MWCNT/CE復(fù)合

6、材料。研究表明，EPHSi-g-MWCNTs可有效促進(jìn)CE的固化反應(yīng)，同時(shí)EPHSi-g-MWCNTs豐富的官能團(tuán)可以有效改善其在CE中的分散性，從而賦予EPHSi-g-MWCNT/CE復(fù)合材料更高的沖擊韌性。當(dāng)MWCNTs和PMWCNTs的添加量分別接近fc時(shí)，與MWCNT/CE復(fù)合材料相比，PMWCNT/CE復(fù)合材料具有更高的介電常數(shù)和極低的介電損耗。此外，EPHSi-g-MWCNTs還能顯著提高材料的阻燃性能，表現(xiàn)在與CE和MWC

7、NT/CE相比， EPHSi-g-MWCNT/CE復(fù)合材料具有更低的熱釋放速率峰值（PHRR）、熱釋放總量（THR）和煙釋放總量（TSP），同時(shí)復(fù)合材料的點(diǎn)燃時(shí)間（TTI）明顯延長(zhǎng)。
　　第三，通過原位聚合的方法，將含大量磷雜菲結(jié)構(gòu)超支化聚硅氧烷（PHSi）包覆于GF表面，制備了新型GF/乙烯基酯樹脂（VE）復(fù)合材料（PHSi-g-GF/8PSiVE），系統(tǒng)研究GF/VE及其改性復(fù)合材料的綜合性能。研究表明，PHSi同時(shí)對(duì)GF和V

8、E改性有助于提高GF/VE復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性，這是因?yàn)闊岱€(wěn)定性優(yōu)異的硅氧鏈節(jié)所吸收的熱量可以通過鏈段振動(dòng)而消散，延遲并減緩了復(fù)合材料的降解。與 GF/VE復(fù)合材料相比，改性復(fù)合材料具有更低的介電常數(shù)與損耗、更高的沖擊強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度（ILSS）、彎曲強(qiáng)度和阻燃性能。
　　第四，通過化學(xué)接枝法將新型含磷雜菲結(jié)構(gòu)與氨基超支化聚硅氧烷（aPHSi）接枝于GF，同時(shí)將 aPHSi引入雙馬來(lái)酰亞胺/烯丙基雙酚A（BD）樹脂基體中，得到了改

9、性GF/BD復(fù)合材料。深入探討了aPHSi對(duì)復(fù)合材料阻燃性能的影響及阻燃機(jī)理，研究表明，aPHSi可以同時(shí)在氣相和凝聚相中發(fā)揮阻燃作用。當(dāng)接枝于GF表面時(shí)，aPHSi以凝聚相阻燃作用為主，氣相阻燃作用不明顯；而添加至樹脂基體中時(shí)，aPHSi以凝聚相阻燃為主，氣相阻燃為輔，但是隨著基體中aPHSi含量的升高，aPHSi的氣相阻燃作用會(huì)相應(yīng)增強(qiáng)。通過熱降解動(dòng)力學(xué)可知，經(jīng)改性復(fù)合材料具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。特別是aPHSi同時(shí)對(duì)GF和BD改性的復(fù)