CN102702687A - 一种阻燃环氧树脂纳米复合材料 - Google Patents

一种阻燃环氧树脂纳米复合材料 Download PDF

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戴启广
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Abstract

本发明公开一种阻燃环氧树脂纳米复合材料，是这样制备的：以双酚A环氧树脂为基体材料，将9，10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物作为阻燃剂，间苯二胺为固化剂，采用4，4-二氨基-3，3二叔丁基二苯甲烷修饰的碳纳米管为纳米填料，制备阻燃环氧树脂纳米复合材料，其力学性能和阻燃性能同时得到较大的提高。与纯环氧树脂相比，拉伸强度和弯曲强度分别提高了13％和25％；热释放速率降低29％。

Description

一种阻燃环氧树脂纳米复合材料
技术领域
本发明涉及一种阻燃环氧树脂纳米复合材料。
背景技术
环氧树脂是目前普遍应用的复合材料树脂基体，固化后的环氧树脂具有优异的粘结性能，机械强度，良好的化学稳定性和电绝缘性，固化收缩率小，以及成型加工容易，应力传递性好，成本低廉等优点。在航空航天，汽车工业，电子电气等领域得到广泛应用。由于环氧树脂的阻燃性能差，难以满足特殊工程技术的要求，限制了环氧树脂在很多重要领域的应用，因而对环氧树脂阻燃改性迫在眉睫。而传统的卤系阻燃剂燃烧时产生大量的腐蚀性有毒气体和有害物质，为了同时满足阻燃及环保要求，无卤阻燃受到了人们高度的关注。磷系阻燃剂以其稳定性好，阻燃效率高，环境友好等优点成为研究热点。目前，磷系阻燃剂在有机聚合物上的应用主要存在的问题之一是力学性能下降。如何提高磷系阻燃剂阻燃环氧树脂的力学性能，是制备高性能环氧树脂的焦点问题。碳纳米管作为一种新材料，有着优异的力学，电学和热学性能而被视为一种理想的增强剂。碳纳米管复合材料的制备方法及其应用已被广泛研究，但碳纳米管在改善树脂基体力学性能方面效果并不显著，主要存在碳纳米管在树脂基体中的分散及界面结合性问题。通过修饰碳纳米管表面，改善其与环氧树脂基体的相容性，进而提高其在环氧树脂基体中的分散，提高复合材料的力学性能。对碳纳米管的表面修饰主要有物理法和化学法两种。物理修饰法主要是通过吸附，涂敷和包裹等物理作用调节碳纳米管表面特性，提高其与聚合物基体的相容性。化学修饰法则是碳纳米管与改性剂之间进行化学反应，改变碳纳米管的表面结构，以达到表面改性的目的。常见的有：机械化学法，表面化学改性法，超声波改性，局部活性改性等。机械化学法是将碳纳米管粉碎，高速球磨研磨。利用机械应力对碳纳米管表面进行激活，以达到改变其表面物理化学结构的目的。Konya等人利用这种方法，成功地在碳纳米管表面接上了-NH2、-SH、-SCH3等基团(Chemical Physics Letters，2002，360：429-435)。表面化学改性法是在碳纳米管的表面通过一些化学反应接上活性基团，降低表面能，以达到改善碳纳米管表面活性的目的。熊磊，马宏毅等人利用偶联剂KH550(γ-氨丙基三乙氧基硅烷)对多壁碳纳米管(MWCNTs)进行修饰，碳纳米管表面成功接枝上了一定量的KH550，并将其加入环氧树脂基体中，制备了复合材料，大幅提高了复合材料的力学性能。(航空材料学报，2009，8(4)63-66)。Hong Chunyan等将硝酸处理的碳纳米管通过多步反应在其管壁上引入了二硫酯官能团，并进一步采用RAFT反应将苯乙烯|马来酸酐共聚物引入碳纳米管管壁，提高了碳纳米管在有机溶剂和水中的溶解性(Polymer，2006，47(12)：4300-4309)。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是公开一种新型阻燃环氧树脂纳米复合材料，以克服现有技术存在的阻燃材料力学性能差，以及避免由于在阻燃材料中使用卤素引起的环境污染的缺陷。
本发明的阻燃环氧树脂纳米复合材料是这样制备的：
将碳纳米管加入环氧树脂中，加入适量溶剂和修饰剂，超声30-60min，然后机械搅拌1-3h，温度为60-80℃；然后在此温度下抽真空2-4h。加入阻燃剂DOPO，温度升至130℃，机械搅拌20-120min；将温度降至80℃，加入固化剂机械搅拌至均匀；将温度降至60℃，抽真空数小时，然后分步骤在不同的温度下固化。
所述及的环氧树脂为市售双酚A环氧树脂；碳纳米管为市售多壁碳纳米管，环氧树脂和碳纳米管的重量比为100∶0.5；
所述及的溶剂可以是无水乙醇、甲醇、丙酮等，用量为环氧树脂的20-25％(重量)；
所述及的修饰剂为4，4-二氨基-3，3二叔丁基二苯甲烷，其制备按CN10165961公开的方法进行，用量为碳纳米管的5-25％(重量)；
所述及的固化剂为间苯二胺，其用量与环氧树脂比为15∶100(重量)；
所述及的阻燃剂为市售的9，10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(简称DOPO)，其用量与环氧树脂比为5∶100(重量)；
所述及的分步骤不同温度下固化为第一步80-100℃固化1-4h；第二步140-190℃固化1-3h。
本发明将9，10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物作为阻燃剂，间苯二胺为固化剂，采用4，4-二氨基-3，3二叔丁基二苯甲烷修饰的碳纳米管为纳米填料，制备阻燃环氧树脂纳米复合材料，其力学性能和阻燃性能同时得到较大的提高。与纯环氧树脂相比，拉伸强度和弯曲强度分别提高了13％和25％；热释放速率降低29％。
具体实施方式
实施例1
称取双酚A环氧树脂100g，加热到80℃，加入15g间苯二胺，机械搅拌至间苯二胺溶解并混合均匀。60℃抽真空20min，然后倒入特定尺寸的钢模具中，继续抽真空1h，然后升温至80℃固化2h；再升温至150℃固化165min。自然冷却到室温，即得到淡黄色透明环氧树脂样条。
实施例2
称取双酚A环氧树脂100g，加热到130℃，加入5g 9，10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物，机械搅拌20min，自然冷却至80℃，加入15g间苯二胺，机械搅拌至间苯二胺溶解并混合均匀。60℃抽真空20min，然后倒入特定尺寸的钢模具中，继续抽真空30min，然后升温至80℃固化2h，升温至150℃固化165min。自然冷却到室温，即得到淡黄色透明阻燃环氧树脂样条。
实施例3
称取多壁碳纳米管0.5g，加一定量无水乙醇分散，超声30min，加热到80℃，机械搅拌1h；然后在60℃抽真空2h，再加热至80℃，加入15g间苯二胺，机械搅拌至间苯二胺溶解并混合均匀。60℃抽真空20min，然后倒入特定尺寸的钢模具中，继续抽真空30min，然后升温至80℃固化2h，升温至150℃固化165min。自然冷却到室温，得到含多壁碳纳米管环氧树脂纳米复合材料的样条。
实施例4
称取多壁碳纳米管0.5g，加一定量无水乙醇分散，超声30min，加热到80℃，机械搅拌1h；然后在60℃抽真空2h，再加热到130℃，加入5g 9，10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物，机械搅拌20min，自然冷却至80℃，加入15g间苯二胺，机械搅拌至间苯二胺溶解并混合均匀。60℃抽真空20min，然后倒入特定尺寸的钢模具中，继续抽真空30min，然后升温至80℃固化2h，升温至150℃固化165min。自然冷却到室温，即得到阻燃环氧树脂纳米复合材料的样条。
实施例5
称取多壁碳纳米管0.5g，加入溶有0.05g 4，4-二氨基3，3-二叔丁基二苯甲烷的无水乙醇，超声30min，加热到80℃，机械搅拌1h，然后在此温度下抽真空2-4h。加热到130℃，加入5g 9，10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物，机械搅拌20min，自然冷却至80℃，加入15g间苯二胺，机械搅拌至间苯二胺溶解并混合均匀。将温度降至60℃，抽真空20min，然后倒入特定尺寸的钢模具中，继续抽真空30min，然后升温至80℃固化2h，升温至150℃固化165min。自然冷却到室温，即得到阻燃环氧树脂纳米复合材料的样条。
实施例6
称取多壁碳纳米管0.5g，加入溶有0.1g 4，4-二氨基3，3-二叔丁基二苯甲烷的无水乙醇，超声30min，加热到80℃，机械搅拌1h，然后在此温度下抽真空2-4h。加热到130℃，加入5g 9，10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物，机械搅拌20min，自然冷却至80℃，加入15g间苯二胺，机械搅拌至间苯二胺溶解并混合均匀。将温度降至60℃，抽真空20min，然后倒入特定尺寸的钢模具中，继续抽真空30min，然后升温至80℃固化2h，升温至150℃固化165min。自然冷却到室温，即得到阻燃环氧树脂纳米复合材料的样条。
将实施例1至实施例6制备的阻燃环氧树脂纳米复合材料进行力学性能。按中国国家标准GB\T1040-92和GB\T9341-2000，分别测试拉伸强度和弯曲强度；按ISO566标准，采用锥形量热法测试(CONE)测试热释放速率，热流辐射强度为50KW\m2。结果如表1所示。
表1阻燃环氧树脂纳米复合材料的力学性能和阻燃性能
  实施例   1   2   3   4   5   6
  弯曲强度(Mpa)   134   158   129   145   152   167
  拉伸强度(Mpa)   82   86   81   84   81   93
  热释放速率(KW\M2)   1365   971   1189   946   ---   961

Claims (1)

1.一种阻燃环氧树脂纳米复合材料，，其特征在于，是这样制备的：将碳纳米管加入环氧树脂中，加入适量溶剂和修饰剂，超声30-60min，然后机械搅拌1-3h，温度为60-80℃；然后在此温度下抽真空2-4h。加入阻燃剂DOPO，温度升至130℃，机械搅拌20-120min；将温度降至80℃，加入固化剂机械搅拌至均匀；将温度降至60℃，抽真空数小时，然后分步骤在不同的温度下固化；
所述及的环氧树脂为市售双酚A环氧树脂；碳纳米管为市售多壁碳纳米管，环氧树脂和碳纳米管的重量比为100∶0.5；
所述及的溶剂可以是无水乙醇、甲醇、丙酮等，用量为环氧树脂的20-25％(重量)；
所述及的修饰剂为4，4-二氨基-3，3二叔丁基二苯甲烷，其制备按CN10165961公开的方法进行，用量为碳纳米管的5-25％(重量)；
所述及的固化剂为间苯二胺，其用量与环氧树脂比为15∶100(重量)；所述及的阻燃剂为市售的9，10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(简称DOPO)，其用量与环氧树脂比为5∶100(重量)；
所述及的分步骤不同温度下固化为第一步80-100℃固化1-4h；第二步140-190℃固化1-3h。
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