活性阻燃剂对复合材料阻燃及力学性能的影响

周鑫磊，王岩，李树茂，张建鑫

(1.海军装备部驻沈阳地区军事代表局，哈尔滨150036)(2.哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨150036)

活性阻燃剂对复合材料阻燃及力学性能的影响

周鑫磊1，王岩2，李树茂2，张建鑫2

(1.海军装备部驻沈阳地区军事代表局，哈尔滨150036)(2.哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨150036)

研究了活性阻燃剂、含卤阻燃剂及二者协同作用对玻璃纤维/环氧树脂复合材料的阻燃性能及力学性能的影响。结果表明复合材料达到同样的阻燃性能活性阻燃剂的添加量明显低于含卤阻燃剂的用量。当二者比例为1:1时，可以起到很好的协同作用，其复合材料的氧指数可以达到28，相比于只添加含卤阻燃剂达到同样阻燃性能的复合材料其力学性能得到明显提高。

阻燃剂;氧指数;复合材料

1 引言

玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料与金属材料相比具有密度低、高比强度、高比模量，良好的尺寸稳定性和优异的电性能及化学稳定性，目前已在航空航天等军工领域得到广泛地应用，用于制造承力结构和次承力结构，可以实现结构功能一体化［1-5］。但玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料一般属于易燃材料，在燃烧过程中不仅释放热量，而且产生大量有毒有害的黑烟，严重影响周围的环境和人们的身体健康。

为了有效地解决这一问题，目前采用在环氧树脂中添加阻燃剂从而提高玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的阻燃性能［6-7］。目前我国阻燃剂以含卤阻燃剂为主，占整个阻燃剂的80%以上，溴系阻燃剂作为含卤阻燃剂的代表，其阻燃效率高，用量少，对材料的性能影响较小，且价格适中，在电子电器产品中得到广泛使用。但含卤阻燃剂会降低基体材料的抗紫外辐照的稳定性，燃烧产生的气体具有腐蚀性［8-12］，因此近些年开发的无卤阻燃剂得到越来越多的关注，其中含磷的活性阻燃剂是一种高效的添加型阻燃剂，与树脂具有良好的相容性，添加量小，对制品力学性能影响小，是替代含卤阻燃剂的选择之一，但对其二者的阻燃效率对比研究却未见报道。本文采用在环氧树脂中添加不同比例的含卤及活性阻燃剂，制备复合材料层合板，通过对层合板氧指数及力学性能的测试研究两种阻燃剂的阻燃效率。

2 实验材料及方法

2.1 实验材料

实验中所用树脂为E51环氧树脂，无锡树脂厂;采用高强玻璃纤维织物SW220南京玻璃纤维研究院;活性阻燃剂FR-XS701青岛联美化工有限公司;含卤阻燃剂十溴二苯醚FR-10。

2.2 试样制备

将活性阻燃剂及含卤阻燃剂以不同质量分数比例与环氧树脂均匀混合，经模具热压成型工艺制备成复合材料层合板。

2.3 性能测试

将含有不同阻燃剂比例的复合材料层合板在FTAⅡ氧指数仪按照GB/T8924-2005进行氧指数测试，

将标准试样在Instron5582万能试验机上按照GB/T1447-2005进行拉伸强度测试、按GB/T1448-2005进行压缩强度试验、按照GB/T1449-2005进行弯曲强度试验。

3 结果与讨论

3.1 活性阻燃剂对高强玻璃布增强环氧树脂阻燃性能的影响

活性阻燃剂一般为含磷系阻燃剂，主要分为有机磷和无机磷，其阻燃机理一般认为凝聚气相机理为主，即在材料燃烧时，形成的磷化合物覆盖于产品表面，隔绝氧气，从而起到阻燃作用。同时，在燃烧过程中形成的磷酸和偏磷酸都是强酸，具有很强的脱水性，使产品脱水炭化，形成炭化层，炭化层导热性能较差，从而隔绝外部热源，阻止内部材料继续燃烧。

图1 活性阻燃剂含量对氧指数的影响

通过图1可以看到随着活性阻燃剂含量的增加，材料的氧指数不断升高，当活性阻燃剂添加量达到40%时，材料的氧指数从22提高到32.5，当添加量为20%时，材料的氧指数提升最为明显达到28. 3，即达到难燃聚合物材料的要求。

3.2 含卤阻燃剂对玻璃纤维增强环氧树脂阻燃性能的影响

溴系阻燃剂由于C-Br键能较低，分解温度在200℃～300℃之间，与材料一同分解过程中，可以产生不燃的HBr气体，由于该气体比重较大，覆盖于材料表面，可以起到隔绝空气的作用。更为重要的是，HBr气体可以抑制材料燃烧的连锁反应，使燃烧速度放缓，直至熄灭。

通过图2可以看到，含卤阻燃剂对复合材料阻燃性能提高效果明显，当阻燃剂添加量达到极限60%时，氧指数由24.3提高到32，当添加量为40%时，材料的氧指数提升最为明显达到28.8，但在成型过程中，随着含卤阻燃剂组分的增加，体系的黏度不断增大，严重影响产品的工艺性。

图2 含卤阻燃剂含量对氧指数的影响

3.3 不同阻燃剂对复合材料力学性能的影响

通过以上两组试验可以看到，当两组试样达到氧指数28%时，活性阻燃剂添加量为20%，而含卤阻燃剂添加量已达到40%。通过对两组试样力学性能进行测试，结果表明添加20%活性阻燃剂的复合材料力学性能要优于含卤阻燃剂的试样。

将两种阻燃剂以质量分数1∶1的比例进行复配，当添加量为质量分数为10%时，复合材料的氧指数即可达到28，并且其力学性能较单独添加任意一种阻燃剂的力学性能明显提高如表1，因此说明含磷活性阻燃剂与含卤阻燃剂具有优异的协同阻燃作用。

表1 阻燃剂对玻璃纤维布增强环氧树脂基复合材料力学性能的影响Table 1 Effect of flame retardant on mechanical properties of glass fiber reinforced epoxy resin matrix composites

4 结语

通过对比试验研究了活性阻燃剂与含卤阻燃剂的对复合材料阻燃性能及力学性能的影响，得到如下结论:

(1)使复合材料达到难燃级别，活性阻燃剂的阻燃效率要优于含卤阻燃剂;

(2)活性阻燃剂与溴系阻燃剂具有优异的协同阻燃效果，通过复配使复合材料达到难燃级别的同时，其力学性能得到明显提高。

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Effect of Active Flame Retardant on Flame Retardant and Mechanical Properties of Composite Materials

ZHOU Xinlei1，WANG Yan2，LI Shumao2，ZHANG Jianxin2
(1.Deputy of Chinese Navy army in Shenyang，Harbin 150036，China)(2.Harbin FRP Institute，Harbin 150036，China)

Study on the activity of flame retardant，halogen flame retardant decabromodiphenyl oxide(DBDPO)and the two synergistic effects on flame retardant properties and mechanical properties of glass fiber/epoxy resin composite material.The results show that the amount of the active flame retardant of the composite material is obviously lower than that of halogen flame retardant.When the ratio is 1:1，can play a very good synergistic effect，the oxygen index of the composite can reach 28，compared to only add halogen flame retardants reach same flame-retardant properties of composite its mechanical properties are improved significantly.

flame retardant;oxygen index;composite

2016-06-08)

周鑫磊(1979-)，男，黑龙江人，硕士，工程师。研究方向:材料工程及其装备质量管理。

E-mail:xiaoshitan@sina.com.