环氧基聚硅氧烷的制备及其在阻燃PBT中的应用

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有机聚硅氧烷是一类结构特殊、性能优异的半有机聚合物,其分子主链为Si-O键的无机结构,侧基为有机基团,兼具无机化合物和有机聚合物的双重性能。作为一种新型的阻燃剂,具有高效的、无卤、低烟、低毒、生态友好、对高分子基材的加工性能和力学性能影响甚小等特点,现已成为当前最具开发前景的绿色环保阻燃剂之一。聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)是一种性能优异的热塑性塑料,但它与大多数聚合物一样,容易燃烧。次膦酸盐类是磷系阻燃剂中除红磷外阻燃效率最高、添加量最少的阻燃剂,被应用于PBT的阻燃。次膦酸盐类主要阻燃机理是受热分解后,产生大量含磷自由基捕捉剂,并挥发到空气中,从而抑制火焰的蔓延,因此以次膦酸盐阻燃的PBT在燃烧过程中发烟量较大。火灾中大量的烟雾是造成人员伤亡主要原因,因此降低次膦酸盐阻燃PBT体系的烟雾具有非常重要实际的意义。据此,本论文从分子设计和合成入手,合成了含环氧基的功能性有机聚硅氧烷(EPM),将所得聚硅氧烷作为协效阻燃剂和二乙基次磷酸铝(AlPi)共同应用于PBT中,制得高性能无卤低烟阻燃PBT复合材料。通过极限氧指数法(LOI)、UL-94垂直燃烧测试、锥型量热测试表征复合材料的阻燃性能及发烟量;利用热重-红外联用(TG-FTIR)和扫描电镜等测试手段研究阻燃PBT的热分解过程,探讨阻燃机理;通过动态力学分析(DMA)、差示扫描量热法(DSC)和阻燃PBT力学性能测试结果分析材料微观结构与宏观性能之间的关系。利用γ-氯丙基甲基二氧基硅烷(MCPS)与苯基三甲氧基硅烷(PTMS)或甲基三甲氧基硅烷(MTMS)水解共缩聚合成了二种侧基上含氯丙基和苯基或甲基的聚硅氧烷(PCSi),再通过氯丙基与双酚A的钠盐在聚硅氧烷侧基上引入环氧基团,得到二种环氧基聚硅氧烷(EPM)。采用FTIR和1H NMR表征了产物的结构,TGA测试产物的热性能,将耐热性能最佳的EPM作为协效阻燃剂应用于阻燃PBT的加工。以AlPi与EPM复合阻燃PBT,保持PBT/AlPi/EPM阻燃体系中阻燃剂AlPi的用量为11%,结果表明随着EPM用量的增加,阻燃体系的LOI不断增大,当EPM的加入量为0.6%,阻燃PBT的LOI达到37.1%,比纯PBT提高了81%,能通过UL-94(1.6mm)V-0级燃烧测试;热重分析(TGA)的结果显示,600℃下,阻燃PBT的残留率最高达9.3%,而PBT/AlPi阻燃体系的为7.3%;其烟雾释放量降低至PBT/AlPi阻燃体系的43%;SEM测试表明阻燃PBT燃烧后形成的炭层比PBT/AlPi阻燃体系的更加平整致密,阻燃效果更好。阻燃PBT的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量最大值分别54.7MPa、93.2MPa和3.17GPa,与纯PBT相比,均有明显地提升,但断裂伸长率和冲击强度有所下降。
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