CN103980662B - 一种环氧树脂阻燃组合物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环氧树脂阻燃组合物及其制备方法,属于高分子阻燃剂领域。所述环氧树脂阻燃组合物,包括:环氧树脂、固化剂以及甲基环己基次膦酸锌铝复盐阻燃剂。所述制备方法,将所述阻燃剂和所述环氧树脂混合,得到混合物,将所述混合物通过热熔化或超声分散后,再加入所述固化剂,得到所述环氧树脂阻燃组合物。所述组合物中的阻燃剂能同时实现磷以及多种金属元素间的多元素协同阻燃作用,同时,添加低质量份数的阻燃剂便可达到较好的燃烧等级,阻燃剂中的锌、铝离子发挥各自在阻燃过程中的优势,其表现为既有较好的阻燃效果,又具有优异的抑烟性能,使得该组合物无需再添加协效剂。
Description
技术领域
本发明涉及高分子阻燃剂领域,特别涉及一种环氧树脂阻燃组合物及其制备方法。
背景技术
环氧树脂在航空、电子电器等领域应用十分广泛,作为印制电路板(Printedcircuit board,PCB)的基体材料,环氧树脂的阻燃性是不能忽视的。目前PCB板用的环氧树脂的阻燃主要是含卤素的化合物,例如四溴双酚A。但含卤阻燃环氧树脂在使用及回收过程中,分解产生的卤化物气体对环境和人体健康造成危害。因此开发无卤阻燃体系,成为目前阻燃剂开发的热点问题。
现有技术中含有烷基次膦酸的单盐阻燃聚合物体系,要么其抑烟效果好,要么阻燃效果,很难同时具备良好的抑烟效果和阻燃效果,含有烷基次膦酸的单盐阻燃聚合物体系在其制备过程中需要添加一种或多种协效剂,才能充分发挥阻燃剂的阻燃效率。常用的协效剂主要是一些无机金属盐例如三聚磷酸铵、三聚氰胺,以100质量份的环氧树脂计,这些协效剂的添加量高达30质量份,这不仅使体系加工过程变得困难,同时还对产品的其他性能产生不利影响,例如降低了产品的机械性能等。随着的技术的进步和对环境影响的关注,对电子、电器行业阻燃产品综合性能的要求越来越高,而现有的阻燃聚合物体系,其抑烟性能、阻燃性能、机械性能、以及生产成本还需要进一步提高和完善。
发明内容
为了解决现有技术中的含有烷基次膦酸盐阻燃聚合物体系添加协效剂后提高了加工难度,降低了产品性能的问题,以及为了提升现有电子产品用的阻燃聚合物的综合性能,本发明提供了一种环氧树脂阻燃组合物及其制备方法。所述技术方案如下:
一方面,本发明提供了一种环氧树脂阻燃组合物,所述阻燃组合物包括:环氧树脂、固化剂以及甲基环己基次膦酸铝锌复盐阻燃剂,以100质量份的所述环氧树脂计,所述甲基环己基次膦酸铝锌复盐阻燃剂的用量为10-50质量份,所述固化剂的用量为10-30质量份,所述甲基环己基次膦酸铝锌复盐阻燃剂的结构为:
锌和铝的摩尔比为3:1-1:3。
优选地,以100质量份的所述环氧树脂计,所述甲基环己基次膦酸铝锌复盐阻燃剂的用量为10-15质量份。
进一步地,所述锌和铝的摩尔比为2:1-1:3。
优选地,所述锌和铝的摩尔比为1:3。
具体地,所述甲基环己基次膦酸铝锌复盐阻燃剂的粒径为5-10μm。
具体地,所述固化剂为脂肪族胺类固化剂、芳香族胺类固化剂、脂环胺类固化剂、杂环胺类固化剂、酸酐类固化剂、线性合成树脂低聚物、潜伏固化剂和特种固化剂中的至少一种。
进一步地,所述芳香族胺类固化剂为间苯二甲胺、二氨基二苯基甲烷、二氨基二苯基砜、间苯二胺或二氨基二苯基醚。
进一步地,所述酸酐类固化剂为四氢邻苯二甲酸酐、六氢邻苯二甲酸酐、甲基四氢邻二甲酸酐或甲基六氢邻苯二甲酸酐。
进一步地,所述潜伏固化剂为双氰胺或己二酸二酰肼。
更进一步地,所述固化剂为4,4-二氨基二苯砜、双氰胺、间苯二胺、4,4-二氨基二苯甲烷和4,4-二氨基二苯醚中的至少一种。
优选地,所述固化剂为4,4-二氨基二苯砜、4,4-二氨基二苯甲烷、4,4-二氨基二苯醚中的一种与间苯二胺按照质量比为2:3混合而成。
具体地,所述环氧树脂为缩水甘油醚环氧树脂、缩水甘油酯类环氧树脂、缩水甘油胺类环氧树脂、线型脂肪族类环氧树脂、脂环族类环氧树脂和混合型环氧树脂中的至少一种。
进一步地,所述环氧树脂为双酚A环氧树脂或酚醛环氧树脂。
进一步地,所述组合物还包括添加剂,所述添加剂包括:固化促进剂、分散剂、增韧剂、稀释剂、溶剂和加工助剂中的至少一种,以100质量份的所述环氧树脂计,所述添加剂的质量份为5以内。
另一方面,本发明提供了一种制备上述组合物的方法,将所述阻燃剂和所述环氧树脂混合,得到混合物,将所述混合物通过热熔化或超声分散后,再加入所述固化剂,得到所述环氧树脂阻燃组合物。
进一步地,将所述混合物通过热熔化或超声分散后,再加入所述固化剂和所述添加剂。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:本发明实施例提供的组合物中的阻燃剂能同时实现磷与铝和锌元素间的协同阻燃作用,同时,通过添加低质量份数的阻燃剂便可达到较好的燃烧等级,该阻燃剂中的铝元素在燃烧过程中能够发挥其的优异的阻燃性能,该阻燃剂中的锌元素在燃烧过程中能够发挥其的良好的抑烟性能,因此阻燃剂中无需再添加协效剂,固化后所得到的材料即可表现出优异的的阻燃效果和显著的抑烟性能。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
甲基环己基次膦酸锌铝复盐(Zn-Al(MHP))的制备:将1mol的正丁醇和1mol的N,N-二甲基苯胺催化剂溶解于3mol正己烷溶剂中,冷却至0℃后,滴加1mol的甲基二氯膦并快速搅拌,保持内温0-5℃,滴加完毕后于0-5℃条件下搅拌1h,然后升温至20-25℃(室温)继续反应2h,然后在80℃回流2h,回流结束后冷却至室温,减压除去溶剂,得到目标产物,将该目标产物过滤,得到滤液,将滤液用丙酮洗涤三次,除去溶剂后经减压蒸馏,收集产品,即甲基亚膦酸单丁酯。
将1mol甲基亚膦酸单丁酯和1mol环己烯加入到烧瓶中,加入0.02mol偶氮二异丁腈,在90℃下搅拌回流反应4h,然后蒸馏分离出溶剂环己烷,得到甲基环己基次膦酸丁酯。
取1mol甲基环己基次膦酸丁酯加入装有1mol氢氧化钠水溶液的200ml烧瓶中,50℃条件下充分搅拌0.5h后,得到含有甲基环己基次膦酸钠的溶液。
将得到的含有甲基环己基次膦酸钠的溶液,用恒压滴液漏斗向其中缓慢滴加溶有1.5mol硫酸锌和0.5mol硫酸铝的水溶液,30min滴完,然后在90℃条件下搅拌回流2h后,停止反应,冷却至室温,抽滤得到沉淀,将沉淀用去离子水洗涤3次,真空干燥后得到白色粉末状的甲基环己基次膦酸锌铝复盐。
锌、铝摩尔比为3:1的甲基环己基次膦酸锌铝复盐(Zn-Al(MHP))用高速球磨机研磨至粒径为5-10μm,将15g Zn-Al(MHP)加入到100g双酚A环氧树脂(商品牌号CYD-127,环氧值0.51-0.54mol/100g)中,高速搅拌10-20min,然后在800W的超声功率下超声30-40min,加入17g间苯二甲胺,高速搅拌5min后,得到组合物1。
组合物1浇注到模具中,经100℃/2小时+150℃/3小时固化成型,得到Zn-Al(MHP)/EP复合材料。
实施例二
锌、铝摩尔比为2:1的甲基环己基次膦酸锌铝复盐(Zn-Al(MHP))(该甲基环己基次膦酸锌铝复盐的制备方法参见实施例一)用高速球磨机研磨至粒径为5-10μm,将30g Zn-Al(MHP)加入到100g双酚F环氧树脂(环氧值0.57mol/100g)中,高速搅拌10-20min,然后在800W的超声功率下超声30-40min,加入30g四氢邻苯二甲酸酐,2g固化促进剂咪唑,高速搅拌5min后得到组合物2。
组合物2浇注到模具中,经100℃/2小时+150℃/3小时固化成型,得到Zn-Al(MHP)/EP复合材料。
实施例三
锌、铝摩尔比为1:1的甲基环己基次膦酸锌铝复盐(Zn-Al(MHP))用高速球磨机研磨至5-10μm,将15g的Zn-Al(MHP)加入到100g酚醛环氧树脂(商品牌号F51,环氧值0.51mol/100g)中,高速搅拌10-20min,然后在800W的超声功率下超声30-40min,加入25g 4,4-二氨基二苯甲烷,高速搅拌5min后得到组合物3。
组合物3浇注到模具中,经100℃/2小时+150℃/3小时固化成型,得到Zn-Al(MHP)/EP复合材料。
实施例四
锌、铝摩尔比为1:1的甲基环己基次膦酸锌铝复盐(Zn-Al(MHP))用高速球磨机研磨至粒径为5-10μm,将15g Zn-Al(MHP)加入到100g脂环族环氧树脂(商品牌号JEW-0121,环氧值0.46mol/100g)中,高速搅拌10-20min,然后在800W的超声功率下超声30-40min,加入28g二氨基二苯砜和2g固化促进剂三氟化硼-单乙胺高速搅拌5min后得到组合物4。
组合物4浇注到模具中,经130℃/2小时+170℃/3小时固化成型,得到Zn-Al(MHP)/EP复合材料。
实施例五
锌、铝摩尔比为1:2的甲基环己基次膦酸锌铝复盐(Zn-Al(MHP))用高速球磨机研磨至粒径为5-10μm,将15g Zn-Al(MHP)加入到100g双酚A环氧树脂(商品牌号CYD-127,环氧值0.51-0.54mol/100g)中,高速搅拌10-20min,然后在800W的超声功率下超声30-40min,加入30g二氨基二苯砜和3g分散剂三氨丙基三乙氧基硅烷,高速搅拌5min后,得到组合物5。
组合物5浇注到模具中,经130℃/2小时+200℃/3小时固化成型,得到Zn-Al(MHP)/EP复合材料。
实施例六
锌、铝摩尔比为1:2的甲基环己基次膦酸锌铝复盐(Zn-Al(MHP))用高速球磨机研磨至粒径为5-10μm,将50gZn-Al(MHP)加入到100g双酚A环氧树脂(商品牌号CYD-127,环氧值0.51-0.54mol/100g)中,高速搅拌10-20min,然后在800W的超声功率下超声30-40min,加入25g二氨基二苯甲烷,高速搅拌5min后得到组合物6。
组合物6浇注到模具中,经100℃/2小时+150℃/3小时固化成型,得到Zn-Al(MHP)/EP复合材料。
实施例七
锌、铝摩尔比为1:2的甲基环己基次膦酸锌铝复盐(Zn-Al(MHP))用高速球磨机研磨至5-10μm,将15g的Zn-Al(MHP)加入到100g双酚A环氧树脂(商品牌号CYD-127,环氧值0.51-0.54mol/100g)中,高速搅拌10-20min,然后在800W的超声功率下超声30-40min,加入20g二氨基二苯甲烷/间苯二胺(质量比为2:3)固化剂,高速搅拌5min后得到组合物7。
组合物7浇注到模具中,经140℃/5小时固化成型,得到Zn-Al(MHP)/EP复合材料。
实施例八
锌、铝摩尔比为1:3的甲基环己基次膦酸锌铝复盐(Zn-Al(MHP))用高速球磨机研磨至5-10μm,将15gZn-Al(MHP)加入到100g双酚A环氧树脂(商品牌号CYD-127,环氧值0.51-0.54mol/100g)中,高速搅拌10-20min,然后热熔化,加入25g二氨基二苯甲烷,高速搅拌5min后得到组合物8。
组合物8浇注到模具中,经100℃/2小时+150℃/3小时固化成型,得到Zn-Al(MHP)/EP复合材料。
实施例九
锌、铝摩尔比为1:3的甲基环己基次膦酸锌铝复盐(Zn-Al(MHP))用高速球磨机研磨至粒径为5-10μm,将12g Zn-Al(MHP)加入到100g双酚A环氧树脂(商品牌号CYD-127,环氧值0.51-0.54mol/100g)中,高速搅拌10-20min,然后在800W的超声功率下超声30-40min,加入25g二氨基二苯甲烷,高速搅拌5min后得到组合物9。
组合物9浇注到模具中,经100℃/2小时+150℃/3小时固化成型,得到Zn-Al(MHP)/EP复合材料。
实施例十
锌、铝摩尔比为1:3的甲基环己基次膦酸锌铝复盐(Zn-Al(MHP))用高速球磨机研磨至粒径为5-10μm,将10g的Zn-Al(MHP)加入到100g双酚A环氧树脂(商品牌号CYD-127,环氧值0.51-0.54mol/100g)中,高速搅拌10-20min,然后在800W的超声功率下超声30-40min,加入25g二氨基二苯甲烷,高速搅拌5min后得到组合物10。
组合物10浇注到模具中,经100℃/2小时+150℃/3小时固化成型,得到Zn-Al(MHP)/EP复合材料。
实施例十一
锌、铝摩尔比为1:3的甲基环己基次膦酸锌铝(Zn-Al(MHP))复盐用高速球磨机研磨至5-10μm。将10g的Zn-Al(MHP)加入到100g双酚A环氧树脂(商品牌号CYD-127,环氧值0.51-0.54mol/100g)中,高速搅拌10-20min,然后在800W的超声功率下超声30-40min,加入28g二氨基二苯醚,高速搅拌5min后得到组合物11。
组合物11浇注到模具中,经80℃/2小时+160℃/4小时固化成型,得到Zn-Al(MHP)/EP复合材料。
实施例十二
锌、铝摩尔比为1:3的甲基环己基次膦酸锌铝(Zn-Al(MHP))复盐用高速球磨机研磨至粒径为5-10μm,将10g的Zn-Al(MHP)加入到100g双酚A环氧树脂(商品牌号CYD-127,环氧值0.51-0.54mol/100g)中,高速搅拌10-20min,然后在800W的超声功率下超声30-40min,加入10g双氰胺固化剂,1.5g二酰肼固化促进剂(商品牌号EP-500)高速搅拌5min后组合物12。
组合物12浇注到模具中,经140℃/5小时固化成型,得到Zn-Al(MHP)/EP复合材料。
实施例十三
锌、铝摩尔比为1:3的甲基环己基次膦酸锌铝(Zn-Al(MHP))复盐用高速球磨机研磨至粒径为5-10μm,将12g的Zn-Al(MHP)加入到100g双酚A环氧树脂(商品牌号CYD-127,环氧值0.51-0.54mol/100g)中,高速搅拌10-20min,然后在800W的超声功率下超声30-40min,加入30g二胺基二苯砜,高速搅拌5min组合物13。
组合物13后浇注到模具中,经130℃/2小时+180℃/3小时固化成型,得到Zn-Al(MHP)/EP复合材料。
将本发明实施例一至实施例十三所得的复合材料的性能进行比对,具体结果参见表1:
表1复合材料的氧指数(LOI)、UL-94、烟密度(Dm)以及玻璃化转变温度(Tg)
LOI(%) | UL-94 | (Dm) | Tg(℃) | |
纯环氧树脂 | 20.1 | - | 806 | 154 |
实施例1 | 28.6 | V0 | 324 | 166 |
实施例2 | 29.5 | V0 | 331 | 172 |
实施例3 | 29.7 | V0 | 369 | 169 |
实施例4 | 29.9 | V0 | 370 | 173 |
实施例5 | 30.2 | V0 | 390 | 168 |
实施例6 | 29.8 | V0 | 377 | 172 |
实施例7 | 31.2 | V0 | 345 | 174 |
实施例8 | 32.4 | V0 | 404 | 174 |
实施例9 | 32.1 | V0 | 422 | 171 |
实施例10 | 31.5 | V0 | 451 | 171 |
实施例11 | 30.6 | V0 | 447 | 169 |
实施例12 | 31.2 | V0 | 454 | 170 |
实施例13 | 30.6 | V0 | 433 | 175 |
由上表可见,本发明提供的复合材料的性能明显优于纯环氧树脂的性能。
本发明实施例提供的组合物中的阻燃剂能同时实现磷与铝和锌元素间的协同阻燃作用,同时,通过添加低质量份数的阻燃剂便可达到较好的燃烧等级,该阻燃剂中的铝元素在燃烧过程中能够发挥其的优异的阻燃性能,该阻燃剂中的锌元素在燃烧过程中能够发挥其的良好的抑烟性能,因此阻燃剂中无需再添加协效剂。同时,由于甲基环己基次膦酸锌盐的密度大于甲基环己基次膦酸铝盐的密度,在环氧树脂中甲基环己基次膦酸锌盐容易沉降,若将甲基环己基次膦酸锌盐和甲基环己基次膦酸铝盐通过混合的方式加入到环氧树脂中,则密度高的甲基环己基次膦酸锌盐会与密度较小的甲基环己基次膦酸铝盐分离,使得二者不能有效发挥各自的优点,本发明通过将阻燃剂制备成复盐的形式,成功的避免了两种盐分离,使得通过添加该阻燃剂制备出的产品具有优异的阻燃效果和显著的抑烟性能。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述,不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种环氧树脂阻燃组合物,其特征在于,所述阻燃组合物包括:环氧树脂、固化剂以及甲基环己基次膦酸铝锌复盐阻燃剂,以100质量份的所述环氧树脂计,所述甲基环己基次膦酸铝锌复盐阻燃剂的用量为10-50质量份,所述固化剂的用量为10-30质量份,所述甲基环己基次膦酸铝锌复盐阻燃剂的结构为:
锌和铝的摩尔比为3:1-1:3。
2.根据权利要求1所述的组合物,其特征在于,所述甲基环己基次膦酸铝锌复盐阻燃剂的粒径为5-10μm。
3.根据权利要求1所述的组合物,其特征在于,所述固化剂为脂肪族胺类固化剂、芳香族胺类固化剂、脂环胺类固化剂、杂环胺类固化剂、酸酐类固化剂、线性合成树脂低聚物、潜伏固化剂和特种固化剂中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的组合物,其特征在于,所述固化剂为4,4-二氨基二苯砜、双氰胺、间苯二胺、4,4-二氨基二苯甲烷和4,4-二氨基二苯醚中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的组合物,其特征在于,所述环氧树脂为缩水甘油醚环氧树脂、缩水甘油酯类环氧树脂、缩水甘油胺类环氧树脂、线型脂肪族类环氧树脂、脂环族类环氧树脂和混合型环氧树脂中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的组合物,其特征在于,所述组合物还包括添加剂,所述添加剂包括:固化促进剂、分散剂、增韧剂、稀释剂、溶剂和加工助剂中的至少一种,以100质量份的所述环氧树脂计,所述添加剂的质量份为5以内。
7.一种制备如权利要求1-5任一项所述的组合物的方法,其特征在于,将所述阻燃剂和所述环氧树脂混合,得到混合物,将所述混合物通过热熔化或超声分散后,再加入所述固化剂,得到所述环氧树脂阻燃组合物。
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