新型無鹵阻燃環氧樹脂的制備與應用研究

顧 濤，虞鑫海

（東華大學應用化學系，上海 201620）

新型無鹵阻燃環氧樹脂的制備與應用研究

顧 濤，虞鑫海

（東華大學應用化學系，上海 201620）

采用自制的氮磷阻燃劑DB606、環氧樹脂D331以及固化劑D-248制得一種新型無鹵阻燃環氧樹脂。該基體樹脂置于室溫下放置120 h后，進行凝膠化時間及拉伸剪切強度測定：當溫度達到160℃時，凝膠化時間仍可達到421 s；160℃時的拉伸剪切強度為16.8 MPa，說明該樹脂具有良好的成型加工性及優異的耐熱性。將該樹脂與無堿玻璃布增強材料進行復合，可制得一種新型無鹵阻燃環氧層壓板，其耐熱性優良、阻燃性可達到FV-0級。

無鹵；阻燃；環氧樹脂；層壓板

1 前言

環氧樹脂力學性能優異［1，2］，一直有著廣泛的應用。但其阻燃性還不能滿足現有使用需求，人們開始對其進行改性，以獲得環保、無毒無害、耐腐蝕及阻燃性優良的新型樹脂［3～5］。

目前高分子材料阻燃改性技術趨向于無鹵化，其中以磷系阻燃劑的使用更為廣泛［6］。磷系阻燃劑不僅具有良好的阻燃性能，且低煙、低毒，是替代傳統阻燃劑（特別是鹵系阻燃劑），實現阻燃劑無鹵化的一個有效途徑，符合環保要求［7，8］。

本文將自制的具有化學反應性的氮磷阻燃劑與環氧樹脂進行反應，制得一種新型無鹵阻燃環氧樹脂。另將該樹脂與無堿玻璃布增強材料進行復合，制得一種新型無鹵阻燃環氧層壓板，并對其性能進行研究。

2 實驗部分

2.1 主要原料

D331環氧樹脂，透明黏稠液體，環氧值0.51 mol/100 g，美國陶氏公司；DB606氮磷阻燃劑，白色固體粉末，實驗室自制；D-248固化劑，工業級，國產；甲苯、丙酮，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；7628無堿玻璃布，工業級，國產。

2.2 主要儀器

CZ-80002萬能試驗機，東莞眾志檢測儀器有限公司；WDW-100萬能試驗機，深圳市凱強利實驗儀器有限公司；CAP 2000+錐板黏度計，美國BROOKFIELD公司；DSC204F1差示掃描量熱分析儀，德國耐弛儀器有限公司；XJ-300A沖擊測試儀，吳忠材料試驗機廠；TH2683型絕緣電阻測試儀，同惠電子有限公司；HVUL-H型垂直燃燒測試儀，東莞眾志檢測儀器有限公司；HJC-50kV型介電強度試驗儀，吉林華洋儀器設備公司。

2.3 制備工藝

將一定質量比的自制氮磷阻燃劑DB606與環氧樹脂D331、D-248固化劑及甲苯置于四口瓶中，加熱回流至樹脂凝膠化，時間為600 s（180℃），反應結束后加入丙酮調節其固含量至45%，得到所需新型無鹵阻燃改性環氧樹脂。

將經KH-550偶聯劑處理過的7628玻璃布浸漬在改性樹脂中，并烘干得到半固化片。

按照一定尺寸剪裁半固化片，送入壓機，依據流膠情況逐漸加壓，在180℃保溫4 h，冷卻，取出，得到所需新型無鹵阻燃環氧層壓板。

3 結果與討論

3.1 凝膠化時間和表觀活化能

3.1.1 凝膠化時間

測定不同溫度下，新型無鹵阻燃改性環氧樹脂的凝膠化時間，結果見表1。

表1 不同溫度下基體樹脂的凝膠化時間Tab.1 Gel time at different temperatures for matrix resin

由表1可知，隨著溫度的升高，體系反應速度加快，交聯度提高，從而導致基體樹脂的凝膠化時間縮短。

放置時間對樹脂的凝膠化時間也有一定影響，實驗結果見表2。

表2 基體樹脂放置不同時間后在160℃的凝膠化時間Tab.2 Gel time at 160℃ for matrix resin after placing for different time

由表2可知，在貯存120 h后，該樹脂體系在160 ℃的凝膠化時間仍為716 s，幾乎沒有變化，說明具有良好的穩定性。

3.1.2 表觀活化能

以1/T為橫坐標，凝膠化時間t的對數lgt為縱坐標作圖并進行線性擬合，結果見圖1。

圖1 lgt與1/T線性關系擬合圖Fig.1 Linear fitting plot of lgt and 1 / T

由圖1知，lgt與1/T呈良好的線性關系，其線性回歸方程為y=2.13069x-2.07448，其中斜率R為2.13069，根據活化能公式Ea=2.303RK計算出該體系的表觀活化能Ea為40.82 kJ/mol。

3.2 溫度對黏度的影響

采用黏度計測試不同溫度下基體樹脂的黏度變化，設定轉速：750 r/min；轉子型號：3號；溫度范圍：50～130℃；升溫速率：5℃/30 s。結果見圖2。

如圖2所示，當溫度小于95℃時，樹脂黏度隨溫度的升高呈下降趨勢，其原因是基體樹脂是非牛頓流體，黏度隨溫度的升高而降低，且分子熱運動隨溫度的升高在不斷加劇，呈現黏度下降趨勢；當溫度大于95℃時，伴隨著固化反應的加劇，樹脂體系中的溶劑也在不斷地揮發，使得黏度隨著溫度的升高迅速增大。

圖2 黏度與溫度關系圖Fig.2 Relationship of viscosity and temperature

3.3 拉伸剪切強度

搭接好鋼板后用2個夾子對稱夾緊試片粘接處，將試樣放入烘箱內固化，待其自然冷卻，取出進行力學性能測試。160℃力值-形變曲線圖見圖3。

圖3 160 ℃力值-形變曲線圖Fig.3 Force values-deformation curves at 160 ℃

由圖3可知，在放置120 h后，樹脂固化物的最大力、最大力形變以及剪切強度均變化不大，表明基體樹脂在高溫時的機械性能更加優越，且具有良好的穩定性。

3.4 基體樹脂的DSC分析

以10℃/min的升溫速率對樹脂體系進行DSC測試，結果見圖4。

其中有2個放熱峰，但第1個放熱峰更加顯著，特征固化溫度如表3所示主要的固化放熱區間在144.6～292.6℃，峰尖溫度為230.5℃，熱焓為205.3 J/g。

由表3確定固化條件為：RT→120℃/0.5 h→140℃/0.5 h→180℃/1 h→200℃/2 h→RT。

3.5 層壓板性能分析

3.5.1 吸水性

圖4 基體樹脂固化反應DSC譜圖Fig.4 DSC spectra of curing reaction for matrix resin

表3 基體樹脂特征固化溫度Tab.3 Characteristic curing temperatures of matrix resin

吸水性按照GB/T 1034—2009進行測定。

制作50 mm×50 mm×4 mm（長×寬×高）試樣3塊，且試樣具有光滑表面。

將以上試樣完全浸入（23±0.5）℃的蒸餾水中浸泡24 h，拿出擦干表面，立即測試。

計算浸泡前后質量的變化，并計算吸水性（%）。

3.5.2 彎曲強度

常溫彎曲強度按照GB/T 9341—2008測試。

沿被試板材的縱向加工5個試樣，尺寸為80 mm×10 mm×4 mm，每個試樣中部1/3的長度內各處厚度與厚度平均值的偏差不應大于2%，寬度與平均值的偏差不應大于3%，試樣截面應該是矩形而且沒有倒角。

試樣按GB/T10580—2003的規定在溫度（23±2）℃，相對濕度（50±5）%下處理24 h，取出后3 min內進行實驗。

在萬能試驗機上測試時，施加負荷的方向應為垂直層向，實驗速度為（5±1）mm/min，取5個試樣測試結果的平均值。計算公式見式（1）。

式中，P—試樣斷裂負荷；L—支點間距離；B—試樣寬度；H—試樣厚度。

高溫彎曲強度需要在150℃處理1 h后立即進行，結果見表5。

3.5.3 沖擊強度

按照GB/T 1043.1—2003規定的方法測定。

沿被試板材的縱向加工5個試樣，尺寸為120 mm×15 mm×4 mm，其他標準與彎曲強度測試相同。

將試樣按3.5.2中標準處理24 h，取出后3 min內進行測試。在測試設備上直接讀出沖擊能量值E，然后利用公式E/ab得到沖擊強度值，其中a，b分別為式樣的長和寬，取5個試樣的平均值，見表5。

3.5.4 擊穿電壓

按照GB/T1048.1—2006測試，試驗電壓施加方式為逐級升壓法或者60 s耐電壓法實驗。

沿被試板材的縱向加工5個試樣，尺寸為100 mm×25 mm×4 mm。

將試樣按3.5.2中標準大氣B下處理24 h，取出后3 min內將試樣置于符合IEC60296；2003規定的礦物油中浸泡預熱0.5～1 h，之后立即進行測試，結果見表5。

3.5.5 絕緣電阻

絕緣電阻按照GB/ T 10064—2006的規定測試。

沿被試板材的縱向加工5個試樣，尺寸為75 mm×50 mm×2.5 mm；

將試樣按3.5.2中標準處理24 h，取出后立即進行測試。

絕緣電阻數值直接由測試儀器讀出。

3.5.6 阻燃性能

按照GB/T 2408—2008的規定測試。

沿被試板材的縱向加工5個試樣，尺寸為125 mm×13 mm×3 mm。

將試樣按3.5.2中標準處理48 h以上，取出后在垂直燃燒試驗箱中完成實驗。

在測試過程中，記錄第1次余焰時間t1，第2次余焰時間t2，第3次余燃時間t3，樣品是否燃盡，是否有滴落，如有滴落是否點燃棉花等。并根據標準對試樣的阻燃性能評級。結果見表4。

表4 垂直燃燒評級標準Tab.4 Rating standards of vertical burning

由表5可知，此配方下的改性環氧樹脂復合玻璃布層壓板的常態彎曲強度為542 MPa，150℃時為419 MPa，保持率為77.3%，說明該層壓板熱性能良好，能夠適用于對耐溫等級要求較高的環境中。

表5 層壓板整體性能Tab.5 Bulk performance of laminate

4 結論

（1）改性環氧樹脂體系的表觀活化能為40.2 kJ/mol。在放置120 h后，在160℃的凝膠化時間仍有719 s，說明其具有良好的穩定性；

（2）改性環氧樹脂體系在160℃的最大力為4819 N，放置120 h后，樹脂固化物的最大力、最大力形變以及剪切強度均變化不大，表明基體樹脂在高溫時機械性能更加優越，且具有良好的穩定性；

（3）由DSC測試結果可確定：固化放熱區間為144.6～292.6℃，峰尖溫度為230.5℃，熱焓為205.3 J/g，固化條件為：RT→120℃/0.5 h→140℃/0.5 h→180℃/1 h→200℃/2 h→RT；

（4）由該樹脂體系制備的層壓板具有良好的阻燃性，磷含量在2.1%時阻燃等級可達到FV-0級，同時該配方層壓板在150℃時彎曲強度高溫保持率為77.3%，能夠適用于對耐溫等級要求較高的環境中。

［1］費斐，虞鑫海，劉萬章.耐高溫單組分環氧膠粘劑的制備［J］.粘接，2009，30（12）.

［2］虞鑫海，徐永芬，趙炯心，等.耐高溫單組分環氧膠粘劑的研制［J］.粘接，2008，29（12）：16-19.

［3］吳敏，陳洪江，虞鑫海，等.新型高強度單組分環氧樹脂膠粘劑的研制［J］.粘接，2009（9）：54-57.

［4］虞鑫海，劉萬章.新型環氧樹脂固化劑的合成及其環氧膠粘劑［J］.粘接，2009，30（11）：34-37.

［5］Zbigniew K，Danuta K，Wojeieeh.New achievements in resafepolyur ethane f o m a s［J］.D e s i g n e d M o n o m e r s a n d Polymers，2002，5（2）：183-193.

［6］Vendebrosch R W，Meijer H E H，Lemstra PJ. Processing of intractable polymers using reactive solvents：1.Poly2，6-dimethyl-1，-phenylene ether/epoxy resin［J］.Polymer，1994，35：49-57.

［7］Bourbigot S.A zedite synergistic agent new flame retardant in tumescent formulation of polyethylene polymer-study of the effect of the constituent monomers［J］.Polym Degard Stab，1996，54（23）：275-287.

［8］Raymond A P，Albert F Y.The preparation and morphology of PPO-epoxy blends［J］.Appl Polym Sci，1993，48：51-60.

Preparation and application of new flame retardant halogen-free epoxy resin

GU Tao，YU Xin-hai
（Department of Applied Chemistry， Donghua University， Shanghai 201620， China）

Using the homemade nitrogen-phosphorus flame retardants DB606， epoxy resins D331 and curing agents D-248 system a new flame retardant halogen-free epoxy resin was prepared. The results showed that the matrix resin was placed under room temperature 120 h， the gel time at 160℃ still reached 421 s and the resin had good forming properties；the cured resin had the shear strength of 16.8 MPa at 160℃ and the excellent heat resistance. In addition， using the resin and the E-glass fabric reinforced materials， a novel flame retardant halogen-free epoxy laminate was prepared， its heat resistance was excellent and its flame retardance reached the FV-0 grade.

halogen-free； flame retardant； epoxy resin； laminates

TQ433.4+37

A

1001-5922（2015）07-0049-04

2014-06-27

顧濤（1989-），男，碩士，主要從事電子化學品及絕緣材料的研發與應用工作，申請了1項中國發明專利。E-mail：1097006180@qq.com。

虞鑫海（1969-），男，教授，博士，主要從事電子化學品、耐高溫高分子材料及其單體的合成、合成纖維成形機理、電纜屏蔽帶、膠粘劑、無鹵阻燃材料、聚酰亞胺新材料等方面的研究開發工作，發表科研論文160余篇，獲得授權的中國發明專利120余項。E-mail：yuxinhai@dhu.edu.cn。