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耐燒蝕有機(jī)硅-環(huán)氧樹脂的制備及其協(xié)效殘?zhí)啃阅苎芯?/h1>
2014-09-11 02:04:50潘冬冬蔡緒福
中國(guó)塑料 2014年6期

潘冬冬,蔡緒福

(四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都610065)

0 前言

隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展,阻燃耐燒蝕材料廣泛應(yīng)用于航空、航天業(yè)以及日常生活中。常見的阻燃耐燒蝕材料有二氧化硅、石墨、銅等無機(jī)或金屬材料。20世紀(jì),國(guó)外對(duì)高分子耐燒蝕材料也已經(jīng)展開了研究。

硅樹脂材料作為一種新型多功能材料,其具有優(yōu)良的耐熱性[1]、介電性[2-4]、抗震性[5]等功能,受到國(guó)內(nèi)外高度重視。但有機(jī)硅樹脂其耐化學(xué)性能、力學(xué)性能、附著力等性能[6]上暴露了很多的缺點(diǎn)。我們常常使用環(huán)氧樹脂[7-8]對(duì)其進(jìn)行改性,通過加入環(huán)氧基團(tuán)或環(huán)氧樹脂,以獲得優(yōu)良的材料。然而,環(huán)氧樹脂阻燃性能較差,常見環(huán)氧樹脂的極限氧指數(shù)一般為19.8%。另外,有機(jī)硅樹脂在高溫下往往擁有高殘?zhí)苛浚渥枞夹阅芤话悖_(dá)不到一定的阻燃級(jí)別。為了獲得一種高殘?zhí)柯省⒛蜔g的材料,我們使用有機(jī)硅和環(huán)氧樹脂這2種基材,就需要考察有機(jī)硅-環(huán)氧樹脂具體的殘?zhí)壳闆r以及阻燃性能。

本文采用有機(jī)硅樹脂(R610)與環(huán)氧樹脂(E44)按照不同組分配比進(jìn)行共混改性,首先確定了有機(jī)硅與環(huán)氧樹脂之間的比例,制備了耐燒蝕、高殘?zhí)柯实挠袡C(jī)硅-環(huán)氧樹脂,并研究了其添加阻燃劑后的阻燃等性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

硅樹脂,R610,中藍(lán)晨光化工研究院;

環(huán)氧樹脂,E44,藍(lán)星化工新材料股份有限公司無錫樹脂廠;

固化劑鄰苯二甲酸酐,分析純,成都市科龍化工試劑廠;

硅烷偶聯(lián)劑,KH-560,成都市科龍化工試劑廠;

高聚合度APP,聚合度>1500,浙江龍游藝戈德化工有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

氧指數(shù)分析儀,XYC-75,承德市金建檢測(cè)儀器公司;

垂直燃燒測(cè)試儀,CFZ-2,南京江寧縣分析儀器廠;

熱失重 分析儀 (TG),209F1,德國(guó) NETZSCH公司。

1.3 樣品制備

不同比例的有機(jī)硅-環(huán)氧樹脂的共混與固化:在裝有攪拌器、冷凝管的三口瓶中按一定質(zhì)量比依次加入甲基硅樹脂R610、環(huán)氧樹脂E44(如表1所示)以及樹脂總質(zhì)量1.5%的偶聯(lián)劑KH-560,在80℃的溫度下,高速攪拌反應(yīng)3 h;

向三口瓶中加入占環(huán)氧樹脂含量54%的鄰苯二甲酸酐固化劑,提高攪拌速度,并升高溫度至120℃,0.5 h后倒入模具中,放入135℃真空烘箱中固化4 h;

阻燃樣條的制備:在裝有攪拌器、冷凝管的三口瓶中按比例依次加入比例為7∶3的硅樹脂R610、環(huán)氧樹脂E44、1.5%KH-560、協(xié)效阻燃劑 APP(加入比例如表2所示),在80℃的溫度下,高速攪拌反應(yīng)3 h,然后以固化劑鄰苯二甲酸酐進(jìn)行固化;倒入特定的阻燃模具中,放在135℃的真空烘箱中固化4 h。

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

TG分析:在氮?dú)獾姆諊羞M(jìn)行,升溫速率為10℃/min,測(cè)試樣品30~800℃質(zhì)量變化,從而研究樣品的熱性能;

表2 不同阻燃劑的添加量Tab.2 Different content of the flameretardant loading

極限氧指數(shù)分析:采用GB/T 2406—1993對(duì)阻燃樣品進(jìn)行測(cè)試,試樣尺寸為100 mm×10 mm×4 mm;

垂直燃燒分析:采用GB 2408—1996對(duì)阻燃樣品進(jìn)行測(cè)試,試樣尺寸為127 mm×12.7 mm×1.6 mm;

元素分析:將固化后有機(jī)硅和有機(jī)硅-環(huán)氧樹脂樣條放在馬弗爐中,加熱到800℃,收集1 h后的殘余物,通過元素分析儀對(duì)燃燒后殘余物進(jìn)行測(cè)試,研究殘?zhí)课锝M成。

2 結(jié)果與討論

2.1 有機(jī)硅-環(huán)氧樹脂比例的確定

首先對(duì)固化后的純有機(jī)硅樹脂和環(huán)氧樹脂進(jìn)行TG分析,繪制其曲線(圖1)。

圖1 固化后有機(jī)硅樹脂R610和環(huán)氧樹脂E44的TG曲線Fig.1 TG curves for silicone and epoxyresin

根據(jù)其數(shù)據(jù)擬合出一定質(zhì)量比有機(jī)硅-環(huán)氧樹脂TG曲線,定位其比例下的理論TG曲線。再測(cè)試實(shí)驗(yàn)樣條,對(duì)比不同比例的有機(jī)硅-環(huán)氧樹脂的熱失重實(shí)際情況與理論情況。具體對(duì)比如圖2所示。

從圖2中可以看出當(dāng)有機(jī)硅含量較多時(shí),樹脂殘?zhí)繘]有協(xié)效作用。而有機(jī)硅含量較少時(shí),樹脂常常在高溫下(>400℃),才體現(xiàn)一定的協(xié)效殘?zhí)康淖饔谩V挥校?dāng)有機(jī)硅含量達(dá)到70%時(shí),有機(jī)硅樹脂-環(huán)氧樹脂之間存在較好協(xié)效作用。所以可以認(rèn)為在有機(jī)硅-環(huán)氧樹脂的比例為7∶3時(shí),兩基材可以更好地提高材料在高溫下的殘?zhí)柯省.?dāng)有機(jī)硅的比例達(dá)到70%,對(duì)在此比例下其對(duì)環(huán)氧樹脂的包覆最好,低于這個(gè)值會(huì)過分的暴露環(huán)氧樹脂,起不到包覆作用。燃燒一段時(shí)候后,才能夠起到一定的包覆作用。而過多的有機(jī)硅的活性端基與環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基團(tuán)反應(yīng),環(huán)氧基的消耗會(huì)減低體系的固化交聯(lián)密度,不利于樹脂在燃燒過程中形成有效炭層。所以它沒有協(xié)效殘?zhí)孔饔谩?/p>

圖2 不同環(huán)氧樹脂含量時(shí)的理論與實(shí)際TG曲線對(duì)比Fig.2 Theoretical and practical TG curves for the samples with different contents of epoxyresin

2.2 殘?zhí)课镌胤治?/h3>

如表3、4所示,從殘?zhí)课锏脑乇壤梢钥闯鲇袡C(jī)硅-環(huán)氧樹脂在高溫下殘余C元素達(dá)到17.98%。我們知道有機(jī)硅的裂解會(huì)從側(cè)鏈斷裂,殘余C元素含量只有5%左右。純環(huán)氧樹脂在800℃高溫的殘余量不到10%,而現(xiàn)有有機(jī)硅-環(huán)氧樹脂的C元素比例較大,說明在高溫下材料能形成有效炭層,能夠達(dá)到保護(hù)碳鏈的作用。另外,根據(jù)O、Si的比例,我們猜測(cè)可能形成了無機(jī)陶瓷類物質(zhì)SixOyCz。

表3 有機(jī)硅R610樹脂殘?zhí)课锔髟睾縏ab.3 Chemical elements in combustion res idue of silicone resin(R610)

表4 有機(jī)硅-環(huán)氧樹脂殘?zhí)课镌胤治鯰ab.4 Chemical elements in combustion res idue of silicon-epoxy resin

2.3 協(xié)效阻燃劑的添加

不同比例有機(jī)硅和環(huán)氧樹脂共混后,測(cè)試了其固化后樹脂的阻燃性能。在未添加阻燃劑時(shí),樹脂的極限氧指數(shù)如表5所示。

表5 樹脂不同比例對(duì)燃燒性能的影響Tab.5 Effect of differentresin content on combustion performance of silicon-epoxyresin

所以,雖然有機(jī)硅-環(huán)氧樹脂有較高的極限氧指數(shù),但達(dá)不到一定的阻燃等級(jí),在點(diǎn)燃后沒有自熄的性質(zhì)。

因此,加入了不同含量的協(xié)效阻燃劑APP,以期進(jìn)一步提高有機(jī)硅-環(huán)氧樹脂的阻燃作用,其極限氧指數(shù)、阻燃等級(jí)如表6所示。其TG分析對(duì)比如圖3所示。

由圖3可以看出添加APP常常會(huì)使殘?zhí)苛肯陆担挥挟?dāng)APP添加量為10%時(shí),在800℃的殘?zhí)苛坑兴岣摺.?dāng)APP添加量達(dá)15%時(shí),過量的APP難以溶入樹脂中,對(duì)樹脂的殘?zhí)孔饔眯Ч^小。

表6 APP含量對(duì)樹脂燃燒性能的影響Tab.6 Effect of APP content on combustion performance of silicon-epoxyresin

圖3 有機(jī)硅-環(huán)氧樹脂添加不同比例APP的TG曲線Fig.3 TG curves of silicon-epoxyresin with different APP content

3 結(jié)論

(1)當(dāng)R610/E44=70/30時(shí),有機(jī)硅 -環(huán)氧樹脂在高溫下的殘?zhí)柯瘦^高,且體現(xiàn)相互之間協(xié)效殘?zhí)康男再|(zhì);

(2)環(huán)氧樹脂中添加有機(jī)硅能夠有效形成炭層,保護(hù)碳鏈結(jié)構(gòu),在高溫下可能生成了陶瓷化無機(jī)耐燒蝕物質(zhì)SixOyCz;

(3)未加阻燃劑的有機(jī)硅-環(huán)氧樹脂,雖然有較好的殘?zhí)柯剩枞夹阅茌^差,需要添加阻燃劑;當(dāng)添加10%的APP時(shí),樹脂具有良好的阻燃性能和顯著的耐燒蝕性能。

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