環氧樹脂阻燃體系的熱降解行為研究*

傅冬明，陳　斌，王江波

(1 上海高橋-巴斯夫分散體有限公司，上?！?00137；2 寧波工程學院化工學院，浙江　寧波　315016)

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環氧樹脂阻燃體系的熱降解行為研究*

傅冬明1，陳斌2，王江波2

(1 上海高橋-巴斯夫分散體有限公司，上海200137；2 寧波工程學院化工學院，浙江寧波315016)

使用差減微分法分析了有機硅阻燃環氧樹脂體系的熱降解行為。結果顯示，純環氧樹脂的熱降解過程為1.15級反應，加入有機硅阻燃劑后，其熱降解過程變為2.21級反應。相比于純環氧樹脂體系，阻燃體系的平均熱降解活化能更高，成炭性能更好，這表明有機硅阻燃劑的加入在環氧樹脂熱降解過程中提高了基體的熱穩定性，最終達到提高體系成炭率和阻燃性的目的。

環氧樹脂；差減微分法；阻燃；熱降解

環氧樹脂(EP)具有優異的力學性能、電絕緣性能、耐化學腐蝕性能、耐熱及粘接性能，因此廣泛應用于涂料、電子電氣、復合材料、土木建筑等多個領域[1]。作為一種熱固性高分子合成材料，環氧樹脂的阻燃性不是很好，其極限氧指數僅為19.8左右。為提高其阻燃性，通常在使用過程中加入阻燃劑[2-3]。

隨著人們對環境保護和自身安全要求的不斷提高，有機硅阻燃劑已經逐漸發展成為阻燃領域的重要方向之一[4]。熱降解行為分析可以幫助了解材料的燃燒過程，掌握阻燃劑的阻燃機理，從而為新型阻燃劑的開發提供科學依據。本文采用差減微分法研究了阻燃環氧樹脂的熱降解行為，計算出EP和阻燃EP的反應級數、活化能、指前因子等動力學參數，并對阻燃機理進行了一定的推導。

1　實　驗

1.1實驗原料

雙酚A二縮水甘油醚(DGEBA)，環氧值為0.53，上海樹脂廠有限公司；4,4’-二氨基二苯甲烷(DDM)，上海樹脂廠有限公司；聚甲基苯基硅氧烷(PMPSQ)，實驗室自制[5]，包含81.5mol%和18.5mol%的苯基三甲氧基硅烷和二甲基二甲氧基硅烷，分子量為4.968e+4 g/mol。

1.2樣品制備

PMPSQ在DGEBA中分散開，加入交聯劑DDM，混合物在100 ℃下交聯2 h，在150 ℃烘箱中固化2 h，制得阻燃環氧樹脂(FREP)的固化樣品，PMPSQ的添加量為10wt%。

1.3熱失重測試

在Mettler Toledo TGA/DSC1型熱重分析儀上，研究體系的非等溫熱降解行為，以10 ℃/min的升溫速率從50 ℃升溫至700 ℃，并記錄過程的熱重變化。氣氛為氮氣，載氣流量80 mL/min。

1.4Freeman-Carrol法[6](也稱差減微分法)

Freeman-Carrol法是單加熱速率法中的一種典型微分處理方法，它只對一個加熱速率下測得的一條TG曲線上的數據點進行動力學分析，利用單一升溫速率下熱重分析曲線對應不同的溫度來計算活化能和反應級數。其方程可表示如下：

(1)

式中：α——轉化率

t——反應時間

E——活化能

R——普適氣體常數

T——絕對溫度

n——反應級數

2　結果與討論

熱失重分析通過實時記錄被測物質在程序設定溫度過程中重量的變化、變化速率及相關變化發生的時間區間等特征參數，可以為研究被測物的熱分解過程提供數據。圖1是EP和FREP在10 ℃/min升溫速率下的重量百分數-溫度曲線。從圖1可知，隨著熱降解溫度的升高，兩者的失重速率都逐漸加快，EP和FREP的主要熱降解過程發生在250～450 ℃之間。但從整體看，在剛開始失重到370 ℃的階段重量失重變化情況基本一致，370 ℃時兩者的熱失重率分別為38.77wt%、37.97wt%，基本相等。從圖1中還可以看出EP和FREP都具有較好的熱穩定性，370 ℃后，FREP的失重率減少趨勢要比EP緩慢，說明FREP的熱穩定性要略優于EP。在700 ℃時，EP的殘余量為14.56wt%，FREP為19.83wt%，說明FREP的最終殘余量要高于EP。

圖1　EP和FREP的重量百分數-溫度曲線Fig.1　Mass vs.temperature curves of EP and FREP

圖2　EP和FREP的轉化率-時間曲線Fig.2　Conversion vs. time curves of EP and FREP

根據反應動力學公式可知，轉化率與重量之間的關系：

式中：m0——熱分解前的樣品初始重量

mt——熱分解進行到t時的樣品重量

m∞——熱分解結束時的樣品殘余重量

圖3　EP的熱失重曲線Fig.3　TGA curves of EP

圖4　FREP的熱失重曲線Fig.4　TGA curves of FREP表1　EP和FREP的熱失重數據Table 1　TGA data of EP and FREP

溫度/℃失重率為1%時失重率為10%時最大失重率時最大失重反應速率/(%/℃)質量百分數/%EP1503303700.009661.23FREP2103203500.141177.35

EP和FREP在氮氣的TGA和DTG曲線在上圖中明顯體現出來，曲線的特殊點數值如表1所示。由表1可看到當EP的失重率為1%和10%時的溫度為150 ℃和330 ℃，然而FREP的失重率為1%和10%時對應的溫度卻為210 ℃和320 ℃，說明FREP的熱降解溫度要高于EP約60 ℃。此外，由圖3和圖4可明顯看出EP的最大失重反應速率對應的溫度為370 ℃，略高于FREP的350 ℃；EP的樣品重量為61.23%小于FREP的77.35%。但是，EP的最大失重反應速率為0.1411，遠大于FREP的最大失重反應速率為0.0096，約為FREP的14.70倍。

圖對的關系圖Fig.5　The relationship between and

表2　EP和FREP的擬合數據Table 2　Fitting data of EP and FREP

從擬合得到的直線的斜率和截距求出活化能E和反應級數n，將計算得出的活化能和反應級數代入以下方程式：

由上式求出指前因子A，計算得到EP和FREP體系的熱降解動力學參數匯總，如表3所示。

表3　EP和FREP的熱降解動力學參數Table 3　Kinetic data for thermal decomposition of EP and FREP

可以看出，EP和FREP在熱降解過程中的反應級數分別為1.15和2.21，平均活化能分別為123.49 kJ/mol和155.62 kJ/mol，指前因子分別為3.14 s-1和2.18 s-1。相比于空白EP，FREP體系的活化能更高，表明阻燃體系的熱降解反應發生相對更加困難。在前面的熱失重分析中，已經發現阻燃體系的熱穩定性要略高于空白EP，成炭性能(成炭率)也更好。上述研究數據都表明，有機硅阻燃劑在環氧樹脂熱降解過程中較好地起到了穩定作用，最終達到提高體系成炭率和阻燃性的目的。

3　結　論

(1)利用Freeman-Carrol法(差減微分法)處理環氧樹脂及其阻燃體系的熱失重分析數據，得到空白環氧樹脂和環氧樹脂阻燃體系的熱降解反應分別為1.15級和2.21級；

(2)空白和阻燃環氧樹脂的平均熱降解活化能分別為123.49 kJ/mol、155.62 kJ/mol，表明有機硅阻燃劑的加入有利于阻隔炭層的形成，能阻止環氧樹脂的熱降解，同時提高了環氧樹脂的熱穩定性，提高了成炭性能和阻燃性能，添加了有機硅阻燃劑的環氧樹脂阻燃效果也會更好。

[1]葉春生,陳連喜,白向鴿．鮑秀婷阻燃型含硅環氧樹脂體系的研究進展[J]．山西化工，2009，29(3):33-37.

[2]Weil ED, Levchik S. A review of current flame retardant systems for epoxy resins[J]. J Fire Sci, 2004, 22(1): 25-40.

[3]Levchik SV, Weil ED. Thermal decomposition, combustion and flame-retardancy of epoxy resins-a review of the recent literature[J]. Polym Int, 2004, 53: 1901-1929.

[4]王江波,辛忠．聚甲基苯基硅氧烷微球對聚碳酸酯性能影響[J]．中國塑料，2008，22(1):25-28.

[5]王江波,辛忠,陸馨．微米級共聚有機硅球的制備工藝研究[J]．華東理工大學學報，2008，34(5):694-698.

[6]劉元俊,賀傳蘭,鄧建國,等.熱重法測定聚合物熱降解反應動力學參數進展[J].工程塑料應用，2005，33(6):70-72.

Thermal Decomposition Behaviors of Epoxy Resin Flame-retardant System*

FUDong-ming1,CHENBin2,WANGJiang-bo2

(1 Shanghai Gaoqiao-BASF Dispersions Co., Ltd., Shanghai 200137;2 School of Chemical Engineering, Ningbo University of Technology, Zhejiang Ningbo 315016, China)

The thermal decomposition behaviors of epoxy resin (EP) flame-retardant system were studied by the Freeman-Carroll method. The results showed that the average activity energy and the char residue content of flame-retardant EP were both higher than the pure EP. It indicated that the silicone flame retardant enhanced the thermal stability of polymer, finally improved the quality of char layer and flame retardancy of system.

epoxy resin; flame-retardant; thermal decomposition; activity energy

寧波市自然科學基金(201301A6105112)。

傅冬明(1979-)，男，工程師，研究方向：新材料開發與應用。

王江波，博士，副教授，研究方向：功能高分子材料。

O634.4

A

1001-9677(2016)08-0041-03