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催化成炭阻燃与纳米技术的结合是探索提高无卤阻燃效率及发展环境友好阻燃材料的重要方向。双酚A型环氧树脂(EP)具有良好的电绝缘性、力学性能、耐化学腐蚀性及粘结性,易燃性限制了其电子电器材料、涂料及黏合剂等领域的广泛应用;同时,EP分子结构中存在苯环和含氧基团,其碳元素含量比例相对较高,热降解过程中具有一定的成炭性,适合作为催化成炭阻燃研究的模型体系。固体酸磷酸硼(BP)的磷氧四面体和硼氧四面体共用氧原子所形成的三维网络结构中存在大量布朗斯特(Br?nsted)酸和路易斯(Lewis)酸性位点,研究BP表面酸性对EP复合材料燃烧、热解及催化成炭的影响规律,可获得催化成炭阻燃剂应用的基础数据。利用大长径比的一维无机纳米填料(海泡石SEP、埃洛石HNTs、改性碳纳米管MMCNTs等)的增强增韧功能,研究纳米填料与BP结合,探索改善催化成炭阻燃聚合物材料力学性能的技术途径。为此,本文主要开展了如下研究:(1)采用高温煅烧法制备了表面酸性及Br?nsted酸和Lewis酸性位点分布不同的BP,研究了BP表面酸性对EP/BP复合材料燃烧性能的影响规律。扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、化学吸附仪及热失重分析(TG)用于表征BP的形貌、晶体结构、表面酸性及热稳定性;氧指数(LOI)、UL 94垂直燃烧及锥形量热仪(CONE)用于研究EP/BP复合材料的燃烧性能。结果表明,BP表面酸性随煅烧温度(300?C~700?C)升高而降低;EP/BP复合材料的阻燃性能随BP表面酸性的降低呈下降趋势。与纯EP比较,添加3 wt%、5 wt%BP,复合材料的LOI提高了0.9~3.2个单位,UL 94垂直燃烧达到V-1级;加入5 wt%煅烧温度为300?C的BP,复合材料的峰值热释放速率(PHRR)下降43%,平均比消光面积(ASEA)下降约25%。(2)研究了BP表面酸性对EP/BP复合材料凝聚相和气相产物的影响。热失重-傅立叶变换红外光谱联用(TG-FTIR)、TG、拉曼光谱(Raman spectra)、XPS等分析手段研究结果表明,具有较大表面酸性及较多Br?nsted酸性位点的BP1可在较低的温度下催化EP热降解并促进交联成炭反应。EP/BP复合材料的残炭量显著提高,多孔状残炭更为均匀、致密,且类石墨化程度和非氧化性碳(包括C-C、C=C等)的比例有所提高,残炭稳定性提高;加入BP1后,复合材料在较低温度下释放热解气体,且可燃性气体减少。(3)将无机纳米填料与BP结合,研究了纳米填料对BP阻燃EP复合材料燃烧及力学性能的影响。燃烧性能测试表明,EP复合材料的LOI显著提高,但UL 94垂直燃烧续燃时间延长、CONE测试PHRR及总热释放(THR)有所升高,CONE测试后的残炭量、残炭高度及致密性均有所降低。力学测试结果表明,与EP/BP复合材料相比,无机纳米填料与BP复配使用提高了EP复合材料的拉伸及弯曲强度,其中EP/4 wt%BP/1 wt%MMCNTs提高最为显著。这与一维纳米材料和EP基材界面间有较强的相互作用,导致受力时的应力传递有关。