CN111423618B - 一种氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃剂及其在制备阻燃环氧树脂中的应用 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明属于阻燃聚合物材料技术领域,具体涉及一种氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃剂及其在制备阻燃环氧树脂中的应用。
背景技术
环氧树脂作为一种典型的热固性聚合物,具有优异的粘接性、力学性能、电绝缘性和化学稳定性,以及收缩率低、易于加工成型、成本低廉等优点,因此在集成电路、交通运输、航空航天等高新技术领域方面得到了广泛的应用。然而,环氧树脂材料的分子结构中含有大量的碳、氢、氧等元素,其本质易燃,且燃烧时释放出大量的热量以及毒性烟气,严重限制了其应用领域。因此,环氧树脂材料必须进行阻燃改性。目前针对环氧树脂材料应用广泛的阻燃剂主要有卤系阻燃剂。然而,卤系阻燃剂在燃烧过程中产生腐蚀性、毒性大的卤化氢气体,因此,无卤阻燃环氧树脂技术成为近年来该领域研究的热点之一。
磷系阻燃剂作为一种高效、低烟、低毒的阻燃剂,受到了广泛的关注。CN110776720A公开了一种中温快速固化阻燃环氧树脂及其制备方法,采用三聚氰胺氰尿酸盐和聚磷酸铵,或者三聚氰胺氰尿酸盐和聚磷酸铵再和三聚磷酸铝、磷酸三甲苯酯、亚磷酸三苯酯、甲基膦酸二甲酯、二乙基次膦酸铝等进行复配作为阻燃剂,存在添加量大的缺点,且添加量高导致阻燃环氧树脂材料的热稳定性和力学性能下降等问题。CN110760163A公开了一种无卤阻燃环氧树脂组合物及其应用,采用含有二苯基氧化膦结构的化合物作为主阻燃剂,聚苯基膦酸二苯砜酯、六苯氧基环三磷腈、9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)衍生物等作为协效阻燃剂,阻燃剂的添加量在10份以上,才能达到UL-94V-0等级。此外,绝大部分磷系阻燃剂会发生提前热降解,造成阻燃环氧树脂的热稳定性下降的问题。因此,开发无卤环保、阻燃效率高、添加量低、热稳定性和力学性能良好的新型阻燃环氧树脂材料,已成为阻燃聚合物技术领域的迫切需求。
发明内容
本发明旨在提供一种氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃剂及其在制备阻燃环氧树脂中的应用。本发明氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃剂的化学结构中不含磷原子,避免了绝大部分含磷化合物提前降解造成环氧树脂热稳定性下降的问题,同时具有含氮芳杂环结构和金属元素,能够发挥促进成炭的作用,对环氧树脂具有阻燃效率高、不劣化其他性能等优点。
本发明氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃剂,其化学结构为R-M,其中R为如下结构中的任一种:
M为如下结构中的任一种:Ag+、Zn2+、Mg2+、Ca2+、Ba2+、Cd2+、Fe2+、Al3+、Fe3+、Ti4+、Zr4+;R与M的摩尔比为1:0.5~4。
本发明氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃剂,是通过包括如下步骤的方法制备获得:
将氮杂环芳香胺R溶于去离子水中,配制成0.001~0.100mol/L的溶液1;同时将金属离子M以硝酸盐或氯化盐的形式溶于去离子水中,配制成0.001~0.100mol/L的溶液2,R与M的摩尔比为1:0.5~4;将溶液1与溶液2在反应装置中混合均匀,在20~40℃下反应2~24小时,反应结束后依次过滤、水洗、烘干,得到氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃剂。
本发明氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃剂的应用,是以所述氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃剂添加至环氧树脂中,以制备阻燃环氧树脂。其中各组分按质量份数包括如下:
环氧树脂100份,氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃剂2~10份,固化剂5~70份,固化促进剂0~2份。
所述环氧树脂的分子链中含两个及以上环氧基团,具体包括双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、酚醛型环氧树脂、N,N-二缩水甘油对氨基苯酚缩水甘油胺、4,4’-二氨基二苯甲烷四缩水甘油胺、双环戊二烯环氧树脂、含磷环氧树脂中的一种或两种以上的混合物。
上述环氧树脂均可市购获得,如双酚A型环氧树脂可选择美国陶氏集团公司DER331,双酚F型环氧树脂可选择上海华谊树脂有限公司370,酚醛型环氧树脂可选择美国陶氏集团公司DEN438,N,N-二缩水甘油对氨基苯酚缩水甘油胺可选择上海华谊树脂有限公司AFG-90H,4,4’-二氨基二苯甲烷四缩水甘油胺可选择上海华谊树脂有限公司AG-80,双环戊二烯环氧树脂可选择广州天太新材料有限公司DNE260,含磷环氧树脂可选择韩国SHIN-A公司SEN-6065。
所述固化剂为脂肪胺、芳香胺、聚酰胺、双氰胺、改性胺、改性双氰胺、酸酐中的一种或两种以上的混合物。
所述固化促进剂为三苯基膦、咪唑、2-甲基咪唑、2-苯基咪唑、N,N-二甲基脲基甲苯中的一种或两种以上的混合物。
以本发明氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃剂制备阻燃环氧树脂的方法,包括以下步骤:
步骤1:将环氧树脂、氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃剂置于反应釜、行星分散机或捏合机中加热并搅拌,分散温度为50~180℃,搅拌时间为1~30分钟,得到环氧树脂分散物;
步骤2:将步骤1获得的环氧树脂分散物降温至80℃以下,依次加入固化剂、固化促进剂,继续搅拌1~30分钟,混合均匀后加热固化,固化温度为50~220℃,固化时间为2~24小时。
与现有技术相比,本发明的有益效果体现在:
1、本发明提供的氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃剂,具有含氮芳杂环结构和金属元素,能够发挥促进成炭的作用,对环氧树脂具有添加量小、阻燃效率高、兼具抑制热释放和抑制烟释放等优点。
2、本发明提供的氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃剂,化学结构中不含磷原子,避免了绝大部分含磷化合物提前降解造成环氧树脂热稳定性下降的问题,氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃环氧树脂材料的热稳定性与未改性环氧树脂相差无几。
3、本发明提供的氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃剂,氮杂环芳香胺结构能够参与环氧树脂固化反应,与环氧树脂一起形成三维热固性树脂体系,从而增强了改性环氧树脂的玻璃化转变温度以及力学性能,适用于要求较高耐热性和力学性能的应用场合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例2、实施例8、对比例2和对比例7中各样品的热重分析曲线。
图2为本发明实施例2、实施例8、对比例2和对比例7中各样品的热释放速率曲线。
图3为本发明实施例2、实施例8、对比例2和对比例7中各样品的烟释放速率曲线。
图4为本发明实施例2、实施例8、对比例2和对比例7中各样品在拉伸测试中的应力-应变曲线。
具体实施方式
为了进一步说明本发明的技术方案,下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述,但是应当理解,这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点,而不是对本发明权利要求的限制。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1:
①准确称取双酚A环氧树脂100份,腺嘌呤-锌离子络合物(摩尔比1:1)阻燃剂4份,在反应釜中加热并搅拌,分散温度为100℃,搅拌时间为15分钟,得到环氧树脂分散物;
②将步骤①获得的环氧树脂分散物降至80℃以下,加入4,4’-二氨基二苯甲烷30份,继续搅拌15分钟,混合均匀后倒入模具,100℃固化2小时,150℃固化2小时,脱模后得到氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃环氧树脂材料。
对比例1:
①准确称取双酚A环氧树脂100份,腺嘌呤4份,在反应釜中加热并搅拌,分散温度为100℃,搅拌时间为15分钟,得到环氧树脂分散物;
②将步骤①获得的环氧树脂分散物降至80℃以下,加入4,4’-二氨基二苯甲烷30份,继续搅拌15分钟,混合均匀后倒入模具,100℃固化2小时,150℃固化2小时,脱模后得到腺嘌呤阻燃环氧树脂材料。
实施例2:
①准确称取双酚A环氧树脂100份,3,5-二氨基-1,2,4-三氮唑-锌离子络合物(摩尔比1:2)阻燃剂4份,在反应釜中加热并搅拌,分散温度为100℃,搅拌时间为15分钟,得到环氧树脂分散物;
②将步骤①获得的环氧树脂分散物降至80℃以下,加入4,4’-二氨基二苯甲烷30份,继续搅拌15分钟,混合均匀后倒入模具,100℃固化2小时,150℃固化2小时,脱模后得到氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃环氧树脂材料。
对比例2:
①准确称取双酚A环氧树脂100份,3,5-二氨基-1,2,4-三氮唑阻燃剂4份,在反应釜中加热并搅拌,分散温度为100℃,搅拌时间为15分钟,得到环氧树脂分散物;
②将步骤①获得的环氧树脂分散物降至80℃以下,加入4,4’-二氨基二苯甲烷30份,继续搅拌15分钟,混合均匀后倒入模具,100℃固化2小时,150℃固化2小时,脱模后得到3,5-二氨基-1,2,4-三氮唑阻燃环氧树脂材料。
实施例3:
①准确称取双酚A环氧树脂100份,2,4-二氨基-1,3,5-三氮唑-银离子络合物(摩尔比1:4)阻燃剂4份,在反应釜中加热并搅拌,分散温度为100℃,搅拌时间为30分钟,得到环氧树脂分散物;
②将步骤①获得的环氧树脂分散物降至80℃以下,加入4,4’-二氨基二苯砜30份,继续搅拌30分钟,混合均匀后倒入模具,150℃固化2小时,180℃固化2小时,脱模后得到氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃环氧树脂材料。
对比例3:
①准确称取双酚A环氧树脂100份,2,4-二氨基-1,3,5-三氮唑阻燃剂4份,在反应釜中加热并搅拌,分散温度为100℃,搅拌时间为30分钟,得到环氧树脂分散物;
②将步骤①获得的环氧树脂分散物降至80℃以下,加入4,4’-二氨基二苯砜30份,继续搅拌30分钟,混合均匀后倒入模具,150℃固化2小时,180℃固化2小时,脱模后得到2,4-二氨基-1,3,5-三氮唑阻燃环氧树脂材料。
实施例4:
①准确称取4,4’-二氨基二苯甲烷四缩水甘油胺100份,腺嘌呤-锆离子络合物(摩尔比1:0.5)阻燃剂4份,在反应釜中加热并搅拌,分散温度为100℃,搅拌时间为15分钟,得到环氧树脂分散物;
②将步骤①获得的环氧树脂分散物降至80℃以下,依次加入甲基四氢苯酐70份、2-甲基咪唑1份,继续搅拌15分钟,混合均匀后倒入模具,150℃固化2小时,180℃固化2小时,220℃固化2小时,脱模后得到氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃环氧树脂材料。
对比例4:
①准确称取4,4’-二氨基二苯甲烷四缩水甘油胺100份,腺嘌呤阻燃剂4份,在反应釜中加热并搅拌,分散温度为100℃,搅拌时间为15分钟,得到环氧树脂分散物;
②将步骤①获得的环氧树脂分散物降至80℃以下,依次加入甲基四氢苯酐70份、2-甲基咪唑1份,继续搅拌15分钟,混合均匀后倒入模具,150℃固化2小时,180℃固化2小时,220℃固化2小时,脱模后得到腺嘌呤阻燃环氧树脂材料。
实施例5:
①准确称取双酚A环氧树脂100份,3,5-二氨基-1,2,4-三氮唑-锌离子络合物(摩尔比1:2)阻燃剂2份,在反应釜中加热并搅拌,分散温度为150℃,搅拌时间为5分钟,得到环氧树脂分散物;
②将步骤①获得的环氧树脂分散物降至80℃以下,加入4,4’-二氨基二苯砜30份,继续搅拌30分钟,混合均匀后倒入模具,150℃固化2小时,180℃固化2小时,脱模后得到氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃环氧树脂材料。
实施例6:
①准确称取酚醛环氧树脂100份,腺嘌呤-镁离子络合物(摩尔比1:1)阻燃剂2份,在反应釜中加热并搅拌,分散温度为180℃,搅拌时间为1分钟,得到环氧树脂分散物;
②将步骤①获得的环氧树脂分散物降至80℃以下,依次加入4,4’-二氨基二苯砜30份、咪唑2份,继续搅拌30分钟,混合均匀后倒入模具,150℃固化2小时,180℃固化2小时,脱模后得到氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃环氧树脂材料。
实施例7:
①准确称取双酚A环氧树脂100份,3,5-二氨基-1,2,4-三氮唑-镉离子络合物(摩尔比1:2)阻燃剂3份,在反应釜中加热并搅拌,分散温度为100℃,搅拌时间为15分钟,得到环氧树脂分散物;
②将步骤①获得的环氧树脂分散物降至80℃以下,依次加入双氰胺8份、2-苯基咪唑0.5份,继续搅拌为30分钟,混合均匀后倒入模具,130℃固化2小时,160℃固化2小时,脱模后得到氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃环氧树脂材料。
实施例8:
①准确称取双酚A环氧树脂100份,3,5-二氨基-1,2,4-三氮唑-锌离子络合物(摩尔比1:2)阻燃剂2份,在反应釜中加热并搅拌,分散温度为100℃,搅拌时间为15分钟,得到环氧树脂分散物;
②将步骤①获得的环氧树脂分散物降至80℃以下,加入4,4’-二氨基二苯甲烷30份,继续搅拌15分钟,混合均匀后倒入模具,100℃固化2小时,150℃固化2小时,脱模后得到氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃环氧树脂材料。
实施例9:
①准确称取双酚A环氧树脂100份,3,5-二氨基-1,2,4-三氮唑-锌离子络合物(摩尔比1:2)阻燃剂2份、9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)2份,在反应釜中加热并搅拌,分散温度为100℃,搅拌时间为15分钟,得到环氧树脂分散物;
②将步骤①获得的环氧树脂分散物降至80℃以下,加入4,4’-二氨基二苯甲烷30份,继续搅拌15分钟,混合均匀后倒入模具,100℃固化2小时,150℃固化2小时,脱模后得到氮杂环芳香胺-金属离子络合物/DOPO阻燃环氧树脂材料。
对比例5:
①准确称取双酚A环氧树脂100份,DOPO 4份,在反应釜中加热并搅拌,分散温度为100℃,搅拌时间为15分钟,得到环氧树脂分散物;
②将步骤①获得的环氧树脂分散物降至80℃以下,加入4,4’-二氨基二苯甲烷30份,继续搅拌15分钟,混合均匀后倒入模具,100℃固化2小时,150℃固化2小时,脱模后得到DOPO阻燃环氧树脂材料。
实施例10:
①准确称取双酚A环氧树脂100份,3,5-二氨基-1,2,4-三氮唑-锌离子络合物(摩尔比1:2)阻燃剂2份、聚磷酸铵(APP)2份,在反应釜中加热并搅拌,分散温度为100℃,搅拌时间为15分钟,得到环氧树脂分散物;
②将步骤①获得的环氧树脂分散物降至80℃以下,加入4,4’-二氨基二苯甲烷30份,继续搅拌15分钟,混合均匀后倒入模具,100℃固化2小时,150℃固化2小时,脱模后得到氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃环氧树脂材料。
对比例6:
①准确称取双酚A环氧树脂100份,聚磷酸铵(APP)4份,在反应釜中加热并搅拌,分散温度为100℃,搅拌时间为15分钟,得到环氧树脂分散物;
②将步骤①获得的环氧树脂分散物降至80℃以下,加入4,4’-二氨基二苯甲烷30份,继续搅拌15分钟,混合均匀后倒入模具,100℃固化2小时,150℃固化2小时,脱模后得到APP阻燃环氧树脂材料。
对比例7:
准确称取双酚A环氧树脂100份,在反应釜中加热至80℃并搅拌,加入4,4’-二氨基二苯甲烷30份,继续搅拌15分钟,混合均匀后倒入模具,100℃固化2小时,150℃固化2小时,脱模后得到环氧树脂材料。
上述各实施例以及对比例制得的产品性能测试结果如下:
表1
氧指数(%) | UL-94垂直燃烧试验结果 | 玻璃化转变温度(℃) | |
实施例1 | 29.5 | V-0 | 141 |
实施例2 | 29.0 | V-0 | 143 |
实施例3 | 29.0 | V-0 | 185 |
实施例4 | 30.5 | V-0 | 228 |
实施例5 | 29.5 | V-0 | 186 |
实施例6 | 31.5 | V-0 | 185 |
实施例7 | 30.0 | V-0 | 188 |
实施例8 | 27.5 | V-1 | 137 |
实施例9 | 31.0 | V-0 | 132 |
实施例10 | 32.0 | V-0 | 134 |
对比例1 | 26.5 | V-2 | 136 |
对比例2 | 26.0 | V-1 | 138 |
对比例3 | 27.0 | V-1 | 182 |
对比例4 | 28.0 | V-1 | 220 |
对比例5 | 28.5 | V-2 | 123 |
对比例6 | 29.0 | V-2 | 125 |
对比例7 | 23.5 | 无级别 | 135 |
从表1各样品的阻燃测试结果表明,未改性双酚A环氧树脂的氧指数为23.5%,UL-94垂直燃烧试验无级别,玻璃化转变温度为135℃(对比例7)。分别添加腺嘌呤-锌离子络合物阻燃剂4份(实施例1)和3,5-二氨基-1,2,4-三氮唑-锌离子络合物阻燃剂4份(实施例2)的双酚A环氧树脂的氧指数上升至29.5%和29.0%,均能通过UL-94垂直燃烧试验V-0级别,且玻璃化转变温度有所上升;相比之下,分别添加腺嘌呤阻燃剂4份(对比例1)和3,5-二氨基-1,2,4-三氮唑阻燃剂4份(对比例2)的双酚A环氧树脂的阻燃性能和玻璃化转变温度均次于本发明提供的氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃环氧树脂的性能。对比常用的市售阻燃剂DOPO(对比例5)和APP(对比例6)阻燃剂,在同等用量下的阻燃双酚A环氧树脂的氧指数和UL-94燃烧等级均次于本发明提供的氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃环氧树脂的性能。更换不同类型的环氧树脂、固化剂以及固化促进剂,本发明提供的氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃环氧树脂也具有类似的阻燃效果。进一步通过将本发明提供的氮杂环芳香胺-金属离子络合物与常用的市售阻燃剂DOPO和APP阻燃剂进行复配,充分发挥协同阻燃作用,可以显著提高DOPO和APP的阻燃效率,且保持甚至提升了阻燃环氧树脂材料的玻璃化转变温度,适用于要求较高阻燃性能和力学性能的应用场合。
实施例2、实施例8、对比例2和对比例7中各样品的热重分析曲线如图1所示。可以看出,氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃环氧树脂的初始分解温度与未改性环氧树脂相差无几,其成炭量明显高于未改性环氧树脂和氮杂环芳香胺阻燃环氧树脂,且随氮杂环芳香胺-金属离子络合物用量的增加而提升,表明氮杂环芳香胺-金属离子络合物具有良好的催化成炭能力。
实施例2、实施例8、对比例2和对比例7中各样品的热释放速率曲线如图2所示。可以看出,未改性环氧树脂的热释放速率峰值约为999.2kW/m2,分别添加2份和4份氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃环氧树脂的热释放速率峰值下降69.1%和72.9%,明显优于添加4份氮杂环芳香胺阻燃环氧树脂。
实施例2、实施例8、对比例2和对比例7中各样品的烟释放速率曲线如图3所示。可以看出,未改性环氧树脂的烟释放速率峰值约为0.42m2/s,分别添加2份和4份氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃环氧树脂的烟释放速率峰值下降52.9%和73.8%,明显优于添加4份氮杂环芳香胺阻燃环氧树脂,表明氮杂环芳香胺-金属离子络合物具有良好的抑烟性能。
实施例2、实施例8、对比例2和对比例7中各样品在拉伸测试中的应力-应变曲线如图4所示。可以看出,与未改性环氧树脂和氮杂环芳香胺阻燃环氧树脂相比,氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃环氧树脂具有更优的拉伸强度。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
2.根据权利要求1所述的应用,其特征在于各组分按质量份数包括如下:
环氧树脂100份,氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃剂2~10份,固化剂5~70份,固化促进剂0~2份。
3.根据权利要求2所述的应用,其特征在于:
所述环氧树脂的分子链中含两个及以上环氧基团,具体包括双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、酚醛型环氧树脂、N,N-二缩水甘油对氨基苯酚缩水甘油胺、4,4’-二氨基二苯甲烷四缩水甘油胺、双环戊二烯环氧树脂、含磷环氧树脂中的一种或两种以上的混合物。
4.根据权利要求2所述的应用,其特征在于:
所述固化剂为脂肪胺、芳香胺、聚酰胺、双氰胺、酸酐中的一种或两种以上的混合物。
5.根据权利要求2所述的应用,其特征在于:
所述固化促进剂为三苯基膦、咪唑、2-甲基咪唑、2-苯基咪唑、N,N-二甲基脲基甲苯中的一种或两种以上的混合物。
6.根据权利要求3、4或5所述的应用,其特征在于包括如下步骤:
步骤1:将环氧树脂、氮杂环芳香胺-金属离子络合物阻燃剂置于反应釜、行星分散机或捏合机中加热并搅拌,加热温度为50~180℃,搅拌时间为1~30分钟,得到环氧树脂分散物;
步骤2:将步骤1获得的环氧树脂分散物降温至80℃以下,依次加入固化剂、固化促进剂,搅拌混合均匀后加热固化。
7.根据权利要求6所述的应用,其特征在于:
固化温度为50~220℃,固化时间为2~24小时。
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