新型无卤膨胀/MH阻燃环氧树脂的制备及阻燃性能

卢林刚，陈英辉，程 哲，杨守生，邵高耸

(1 中国人民武装警察部队学院 科研部，河北 廊坊065000；2 中国人民武装警察部队学院 研究生队，河北 廊坊065000；3 中国人民武装警察部队学院 消防工程系，河北 廊坊065000)



新型无卤膨胀/MH阻燃环氧树脂的制备及阻燃性能

卢林刚1，陈英辉2，程 哲2，杨守生3，邵高耸1

(1 中国人民武装警察部队学院 科研部，河北 廊坊065000；2 中国人民武装警察部队学院 研究生队，河北 廊坊065000；3 中国人民武装警察部队学院 消防工程系，河北 廊坊065000)

通过极限氧指数(LOI)、水平垂直燃烧(UL-94)、锥形量热(cone)等方法，研究了纳米氢氧化镁(MH)添加到六(4-DOPO羟甲基苯甲酸)环三磷腈化合物(FR)、聚磷酸铵(APP)和环氧树脂(EP)后，制备的新型复合阻燃材料(FR/APP/MH/EP)的阻燃及力学性能。结果表明：在固定FR/APP比例为1/1的前提下，添加1%(质量分数)的MH时，复合阻燃材料EP2(10%FR/10%APP/1%MH/EP)的LOI值达到36.4%，其热释放速率(pk-HRR)、有效燃烧热平均值(av-EHC)、比消光面积平均值(av-SEA)、一氧化碳释放率平均值(av-CO)较纯环氧树脂(EP0)分别下降了79.8%，6.73%，47.2%，33.3%，相对于EP1(10%FR/10%APP/EP)分别下降了20.0%，69.6%，83.6%，58.6%，同时EP2的拉伸、弯曲、冲击强度较EP1也分别提高了47.6%，75.2%，196%；SEM分析表明EP2燃烧后能够形成一层均匀、致密、连续的炭层，具有良好的阻燃、抑烟、降毒效果。

膨胀阻燃剂；环氧树脂；纳米氢氧化镁；阻燃性能

鉴于经济社会发展过程中，人们的健康及生态环保意识增强以及阻燃法律法规和标准的不断严格，传统卤系阻燃体系面临严重挑战。无卤膨胀阻燃技术兼具环保高效特质，能够充分发挥“酸源、碳源、气源”之间的协同效应形成炭质泡沫层，抑制材料热降解速度，提高材料抗火能力，已呈现出广阔的发展前景[1-4]。发展无卤膨胀阻燃技术，赋予环氧树脂(EP)[5-7]优良阻燃性能，对于有效降低其火灾危险性以及拓展其应用领域具有重要作用[8-10]。王正洲等[2]通过研究聚磷酸铵(APP)和季戊四醇(PER)组成的复合体系对环氧树脂阻燃性能的影响，发现随着APP和PER加入，整个体系氧指数和垂直燃烧性能显著提升，最大热释放速率大幅下降，阻燃效果明显。Mauerer[7]采用合成方法，制备新型磷氮阻燃剂TAPP应用于环氧树脂中，结果表明整个体系阻燃性能达到UL-94 V-1级且具有良好的热稳定性和较高的玻璃化转变温度。这说明通过引入阻燃基团和协效剂，构建“三源”膨胀阻燃体系是目前研究阻燃环氧树脂的一个重要方向。本课题组合成出具有环磷腈和DOPO两大分子模块热稳定良好的六(4-DOPO 羟甲基苯甲酸)环三磷腈化合物[11](FR)，具有较好的阻燃效果，其分子结构式见图1。本研究将其与聚磷酸铵(APP)、纳米氢氧化镁(MH)复配形成“三源”膨胀体系并应用于环氧树脂阻燃，开展阻燃效果评价和机理研究。

图1 六(4-DOPO羟甲基苯氧基)环三磷腈(FR)的分子结构式[11]Fig.1 Molecular structure of compound six (4-DOPO hydroxymethyl benzl group) cyclotriphosphazene[11]

1 实验

1.1 主要原料

FR，参考文献[11]实验室合成；E-44环氧树脂，工业品，蓝星新材料无锡树脂厂；间苯二胺(m-PDA)，分析纯，天津大茂化学试剂厂；聚磷酸铵(APP)，工业纯，青岛海化阻燃材料有限公司；纳米氢氧化镁(Mg(OH)2)，工业纯，丹东天赐阻燃材料科技有限公司。

1.2 性能测试

采用材料制样机XXZ-2型；采用氧指数仪HC-2CZ按照GB/T 240693《塑料燃烧性能实验方法—氧指数法》进行测定，试样尺寸120.0mm×6.5mm×3.0mm，数量为10；采用水平垂直燃烧仪UL-94 SCZ-3按标准ANSI/UL 94-2010《Tests for Flammability of Plastic Materials for Parts in Devices and Appliances》对样品进行水平垂直燃烧测定，确定材料燃烧等级，试样尺寸130.0mm×12.5mm×3.0mm，每组5个样；采用锥形量热仪S001按照ASTME-1354标准进行，热辐射功率为35kW/m2，样品尺寸为100mm×100mm×4mm，数量为2；采用万能电子试验机XWW-10A按GB/T 1040-92标准进行拉伸强度测定，拉伸速率为2mm/min、按照GB/T 9341-2000进行弯曲强度测定，实验速率为2mm/min；采用简支梁冲击试验机XJJ-5按GB/T 1043-2008进行简支梁缺口冲击强度测定，摆锤冲击速率为2.9m/s；采用扫描电子显微镜KYKY2800燃烧试样断口表面喷金处理，在SEM上进行断面形貌分析。

1.3 阻燃试样的制备

将FR和APP放入真空干燥箱中，80℃干燥10h，料层厚度不超过30mm。首先将模具和环氧树脂放入80℃鼓风干燥箱中，预热模具，降低环氧树脂的黏度。按照设计配方称取固化剂间苯二胺，置于60℃鼓风干燥箱中，使其熔化为液态。将一定量环氧树脂在80℃下不断搅拌(转速450r/min)，然后依次加入称量好的FR和APP，搅拌30min，使其均匀分散在环氧树脂中。加入一定量的液态间苯二胺到阻燃剂与环氧树脂混合液中，快速搅拌1.5min，倒入预热模具中，抽真空，除去倾倒过程中产生的气泡，相应温度下固化4h，自然冷却，取出备用。

2 结果与分析

2.1 极限氧指数(LOI)与水平垂直燃烧(UL-94)分析

通过极限氧指数(Limited Oxygen Index,LOI)和水平垂直燃烧(UL-94)的方法，研究纯EP0和阻燃复合材料EP1～EP5的燃烧性能，实验结果见表1。由表1可以看出，EP0的氧指数为25.4%，此时试样容易被点燃，未出现炭层，火焰很小，燃烧很缓慢，但仍然蔓延过了50mm线。膨胀阻燃体系EP1(10%FR/10%APP/EP)氧指数为36.3%，其在点燃后燃烧区迅速膨胀形成炭层，阻碍热量向下传递，产生自熄现象。随着MH的加入，复合材料EP2～EP5的LOI值呈现出先升高后降低的趋势，当添加1%(质量分数，下同)的MH时，所得材料EP2(10%FR/10%APP/1%MH/EP)的LOI值达到最大，为36.4%，较EP0的LOI值提高了43.3%；在UL-94燃烧实验中，试样EP0点燃后迅速燃烧，垂直放置时火焰6.5s便蔓延至夹具，且在燃烧过程中出现严重的滴落现象，表明其阻燃级别仅为V-2级。经FR/APP及FR/APP/MH阻燃EP0后，所得材料EP1～EP5两次施焰时间均很短，小于4s，且移开火焰后迅速自熄，基本不存在有焰燃烧，说明材料EP1～EP5的阻燃级别均达到最高级V-0级。

表1 纯EP及FR/APP/MH/EP复合材料的氧指数和UL94实验结果

Note: LOI-limited oxygen index;UL94HB-horizontal flame test;UL94V-vertical flame test.

2.2 燃烧特性分析

2.2.1 复合材料的易燃性和释热特性分析

通过锥形量热仪，研究纯EP及FR/APP/MH/EP复合材料在35kW·m-2的辐射热功率下的释热、烟、毒特性，进一步评价材料潜在火灾危险性，数据结果见表2。图2为纯EP及FR/APP/MH/EP体系的热释放速率曲线，由表2及图2可见，EP0的热释放速率曲线峰形陡峭，峰值为1243.27kW·m-2。经FR/APP阻燃的EP1的热释放速率峰值为314.37kW·m-2，降幅达74.7%。随着MH的加入，制得的FR/APP/MH/EP体系(EP2～EP5)的热释放速率峰值(pk-HRR)较EP0均大幅降低，其中EP2降幅最大，达到251.37kW·m-2，较EP0下降了79.8%，较EP1下降了20.0%。这表明在膨胀阻燃体系EP1中加入适量的MH，可以有效降低环氧树脂的表面热量，减少挥发性可燃物生成量，减缓阻燃样品的火焰传播速度，从而利于控制火焰的蔓延，降低材料火灾危险性；从有效燃烧热(Effective Heat of Combustion，EHC)实验数据来看，膨胀阻燃体系EP1的av-EHC值相对于纯EP0有大幅度的升高，由28.99 MJ·kg-1跃升到88.99MJ·kg-1，增幅为2.07倍。但是，添加MH后，阻燃复合材料EP2～EP5的av-EHC值显著降低，其中EP2的av-EHC值较EP0下降6.73%，较EP1下降69.6%。这说明当适量协效剂MH加入膨胀阻燃体系EP1时，能够保证材料在改善其阻燃性能的同时抑制环氧树脂气相挥发份的燃烧，使挥发份在气相中燃烧效率降低。

表2 纯EP及FR/APP/MH/EP复合材料的35kW·m-2辐射功率锥形量热仪(cone)实验数据

Note: TTI-time to ignition;pk-HRR-peak heat release rate;av-EHC-average effective heat of combustion;av-SEA-average specific extinction area;av-CO-CO average release rate.

图2 纯EP及FR/APP/MH/EP体系的热释放速率曲线Fig.2 Heat release rate (HRR) curves of pure EP and FR/APP/MH/EP

2.2.2 复合材料的生烟特性及烟毒性分析

比消光面积(Specific Extinction Area，SEA)和一氧化碳释放速率是衡量材料生烟能力和产物毒性大小的两项重要指标。从表2中数据变化可知，膨胀阻燃体系EP1的av-SEA和av-CO值分别为3583.38m2·kg-1，0.29kg·kg-1，较EP0均大幅增加。但是，在阻燃体系EP1中添加一定量的MH后，所得阻燃材料EP2～EP5的av-SEA和av-CO值均显著下降，其中EP2的降幅最为明显，其av-SEA值仅为588.39m2·kg-1，较EP0，EP1分别下降了47.2%和83.6%，其av-CO值为0.12kg·kg-1，较EP0，EP1分别下降了33.3%和58.6%。实验表明，在膨胀阻燃体系EP1中加入适量的MH有利于炭层的形成，减缓了燃烧过程中烟气的释放量，控制了CO的生成速率，从而为火灾初期的人员逃生和消防救援争取了更多的时间。

2.2.3 复合材料的燃烧特性指数分析

表3为纯EP及FR/APP/MH/EP复合材料燃烧特性指数。由表3可知，膨胀阻燃体系EP1的火势增长指数(FGI)、放热指数(THRI6min)、毒性气体生成指数(ToxPI6min)较EP0下降明显，只有发烟量指数(TSPI6min)略微升高。但是，向EP1中添加一定量的MH后，所得材料EP2～EP5的四项燃烧性能指数变化趋势各不相同，其中火势增长指数(FGI)、发烟量指数(TSPI6min)先降低、后升高；放热指数(THRI6min)逐步升高；毒性气体生成指数(ToxPI6min)虽无明显变化规律，但与EP1相比均显著下降。综合评价，EP2燃烧性能最为出色，其火势增长指数(FGI)、发烟量指数(TSPI6min)、毒性气体生成指数(ToxPI6min)较EP1分别降低15.9%，21.9%，37.7%，而相对EP0其降幅更为明显。这说明加入适量的协效剂MH后，可以使其与FR/APP体系产生协同效应，有效地遏制火势的发展和烟气的释放，降低火灾的危险性。

表3 纯EP及FR/APP/MH/EP复合材料燃烧性能指数

Note: FGI-fire growth index;THRI6min-total heat release index;TSPI6min-total smoke produce index;ToxPI6min-toxic gas produce index.

2.3 复合材料的力学性能分析

表4为纯EP和FR/APP/MH/EP力学性能实验结果。由实验结果表明，EP1相对于EP0的各项力学性能指标降幅明显。这主要由于FR极性小，与高极性的环氧树脂相容性差，同时FR含有羟基，理论上虽然能与环氧树脂单体反应，但交联活化能较高，最终降低其固化度[12]，导致阻燃环氧树脂的力学性能下降较多。在添加协效剂MH后，所得材料EP2～EP5的力学性能得到一定程度的恢复，其中EP2性能最佳，其拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度、弯曲模量、冲击强度分别为65.45MPa，1.58%，160.38MPa，50.15MPa，19.20kJ·m-2，较EP1分别提高了47.6%，95%，75.2%，30.6%，196%。这是因为纳米氢氧化镁增大了无机阻燃体系与基体间的接触面积，改善了其与环氧树脂的相容性[13-15]。

2.4 复合材料的炭层形貌分析

通过数码照相及电子扫描显微镜(SEM)，研究纯EP和FR/APP/MH/EP复合材料燃烧后的炭层形貌，如图3与图4所示。从炭层宏观形貌(图3)角度来看，EP0燃烧后残余质量很少，仅剩7.4%，未形成有效覆盖。EP1燃烧后残余质量较大，剩余量为52.7%，炭层膨胀性与致密性较好，整个炭层表面呈现出褶皱台阶状，只在中下部有少量气孔。EP2相对于EP1，残炭量增加到58.5%，炭层厚实、均匀、致密，虽然表面有很多小裂纹，但在二次膨胀中均已修复，能够有效地隔热、隔氧、抑烟，达到阻燃的目的。

表4 纯EP和FR/APP/MH/EP力学性能测试结果

图3 阻燃环氧树脂体系燃烧后炭层的数码照片 (a)EP0;(b)EP1;(c)EP2 Fig.3 The digital photos of residues of retarded epoxy resins (a)EP0;(b)EP1;(c)EP2

图4 阻燃环氧树脂体系燃烧后炭层的SEM照片 (a)EP0;(b)EP1;(c)EP2 Fig.4 The SEM photos of residues of retarded epoxy resins (a)EP0;(b)EP1;(c)EP2

从炭层微观形貌(图4)角度来看，EP0燃烧后炭层表面孔洞的穿透性致使不能有效地阻隔氧和热的交换；EP1燃烧后炭层呈片层状，错落有致，且比EP0的炭层更加均匀、致密；EP2燃烧形成的炭层表面纵横交错，相互连接，有许多小泡，进一步将EP2与EP1对比，不难发现EP2炭层表面更加连续、光滑，具有良好的伸缩性，有利于炭层的持续膨胀，而炭层表面中也含有许多能够容纳挥发性易燃气体的囊泡，有效地阻挡了小分子及热量的相互传递，起到了很好的阻燃效果[16,17]。

3 结论

(1)在固定FR/APP比例为1/1的前提下，添加1%MH的复合材料EP2(10%FR/10%APP/1%MH/EP)阻燃性能最优。其热释放速率峰值(pk-HRR)、有效燃烧热平均值(av-EHC)、比消光面积平均值(av-SEA)、一氧化碳释放率平均值(av-CO)较EP0分别下降了79.8%，6.73%，47.2%，33.3%，相对于EP1(10%FR/10%APP/EP)分别下降了20.0%，69.6%，83.6%，58.6%。

(2)添加1%的MH后，复合材料(EP2)的力学性能较未添加MH的EP1(10%FR/10%APP/EP)得到了改善，其拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度、弯曲模量、冲击强度较EP1分别提高了47.6%，95%，75.2%，30.6%，196%。

(3)SEM分析表明，MH的加入提高了阻燃环氧树脂EP2炭层的致密度，其形成的炭层表面纵横交错，相互连接，存有许多小泡，阻碍了炭层内外分子和热量的传递，起到了很好的阻燃效果。

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Preparation and Flame Retardancy ofIntumescent/MH Flame-retardant Epoxy Resins

LU Lin-gang1，CHEN Ying-hui2，CHENG Zhe2，YANG Shou-sheng3，SHAO Gao-song1

(1 Department of Science and Technology,Chinese People’s Armed Police Force Academy,Langfang 065000,Hebei,China； 2 Graduates Forces,Chinese People’s Armed Police Force Academy, Langfang 065000,Hebei,China； 3 Department of Fire Protection Engineering, Chinese People’s Armed Police Force Academy,Langfang 065000,Hebei,China)

The flame retarding and mechanical properties of new flame retardant composites(FR/APP/MH/EP) were studied using limited oxygen index (LOI) measurement，UL-94 and cone test. The new flame retardant composites were prepared by adding nano-magnesium hydroxide(MH) into six-(4-of DOPO hydroxymethyl phenoxy) cyclotriphosphazene (FR)，polyphosphate (APP) and epoxy resin(EP). The results show that when fix the FR/APP 1 ∶1, adding 1% mass fraction MH, the limited oxygen index(LOI) value of EP2 (10%FR/10%APP/1%MH/EP) can reach 36.4%, the peak heat release rate (pk-HRR)，average effective heat of combustion (av-EHC)，average specific extinction area (av-SEA)，average CO release rate (av-CO) of EP2 are reduced by 79.8%,6.73%,47.2%,33.3%, respectively, compared with those of pure EP (EP0) and decrease 20.0%,69.6%,83.6%,58.6%, respectively, compared with those of EP1 (10%FR/10%APP/EP)，meanwhile, the tensile，bending and impact strengths of EP2 increase 47.6%， 75.2% and 196%, separately, compared with those of EP1.SEM observation reveals that EP2 forms a uniform, compact and continuous charred layers after burning, which has good flame retarding,smoke suppression and the toxic effects.

intumescent flame retardant(IFR)；epoxy resin；nano-magnesium hydroxide；flame retardancy

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.05.009

TQ314.24

A

1001-4381(2015)05-0050-06

河北省自然科学基金资助项目(E2012507008)；国家自然科学基金资助项目(21472241)

2013-10-17;

2014-11-28

卢林刚(1974— )，男，教授，主要研究方向：阻燃材料及有机合成，联系地址：河北省廊坊市西昌路220号中国人民武装警察部队学院科研部(065000)，E-mail:llg@iccas.ac.cn