CN114350113A - 一种阻燃环氧树脂、制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻燃环氧树脂、制备方法与应用，所述阻燃环氧树脂由包括以下重量份的各原料制得：环氧树脂100份，固化剂15‑100份，微交联聚酰胺5‑20份，聚磷酸铵6‑40份。所述阻燃环氧树脂以微交联聚酰胺成炭剂和聚磷酸铵协同阻燃，其中微交联聚酰胺相比传统多羟基化成炭剂，具有不易吸湿、热稳定性优良、相容性好等优点，得到的阻燃环氧树脂阻燃性能优异。

Description

一种阻燃环氧树脂、制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种阻燃环氧树脂，尤其涉及一种阻燃环氧树脂、制备方法与应用。

背景技术

环氧树脂具有优异的力学性能、胶粘性能、电绝缘性能、尺寸稳定性等，易加工且成本低，应用十分广泛。但作为一种高分子材料，环氧树脂隐藏着巨大的火灾隐患，一旦燃烧，燃烧速度快且释放大量的热量，甚至释放浓烟和有毒害气体，对人民生命财产和身体健康构成巨大威胁，因此在对阻燃要求更为严格的应用领域，其使用受到了限制。

目前，聚合物阻燃机理主要有三种方法：中断热交换阻燃、气相阻燃和凝聚相阻燃。其中凝聚相阻燃机理是，通过添加化学物质在燃烧时产生不燃气体和残炭，形成物理屏障来阻碍气相和凝聚相之间的热质交换，是非常安全环保的一种阻燃方式。以磷氮为主体的膨胀型阻燃成炭剂(如聚磷酸铵)，在燃烧时可以分解形成多空膨胀炭层在凝聚相中发挥阻燃作用，也已成为无卤、低毒、低烟阻燃剂的发展方向之一(《聚合物阻燃新技术》，彭治汉，化学工业出版社4-10)。但鉴于单一成炭剂的阻燃效果有限，开发协同阻燃性能良好的成炭剂尤为重要。

公开专利CN105670231B提出了一种可膨胀氮化碳为阻燃剂的环氧树脂组合物可在受热后形成炭层延缓体系燃烧，但其可膨胀氮化碳的制备工艺较为复杂且需要用到大量的浓硫酸。

公开专利CN108727782A提出—种磷氮系纳米阻燃环氧树脂复合材料及其制备方法，报道了采用碳纳米管为核体、磷氮系为壳体实现协同阻燃作用的方案，可实现极限氧指数≥28.7％，但其采用的碳纳米管较为昂贵，工业应用性不强。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提出一种阻燃环氧树脂、制备方法与应用。所述阻燃环氧树脂以微交联聚酰胺成炭剂和聚磷酸铵作为协同阻燃，其中微交联聚酰胺相比传统多羟基化成炭剂，具有不易吸湿、热稳定性优良、相容性好等优点，得到的阻燃环氧树脂阻燃性能优异。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种阻燃环氧树脂，由包括以下重量份的各原料制得：

进一步地，所述微交联聚酰胺是以十二内酰胺为聚合原料，与含多胺低聚物或多胺加合物的封端交联剂反应得到的微交联产物；

优选地，微交联聚酰胺的数均分子量为8000-20000。

进一步地，所述封端交联剂至少含有二氨基二苯基甲烷低聚物、苯基二甲胺低聚物、二氨基二环己基甲烷低聚物、环己基二甲胺低聚物、己二胺低聚物、二氨基二苯基甲烷环氧加合物、二氨基二环己基甲烷环氧加合物、异佛尔酮二胺环氧加合物、己二胺环氧加合物中的一种或多种，优选至少含有二氨基二苯基甲烷低聚物、苯基二甲胺低聚物、二氨基二环己基甲烷低聚物、环己基二甲胺低聚物、二氨基二苯基甲烷环氧加合物、二氨基二环己基甲烷环氧加合物、异佛尔酮二胺环氧加合物中的一种或多种；

优选地，所述封端交联剂还包括小分子多官能度胺，优选二氨基二苯基甲烷、二氨基二环己基甲烷、三乙烯四胺、己二胺、异佛尔酮二胺中的一种或多种。

本发明选用的封端交联剂为含有三官能度及以上的多胺，尤其是三官能度及以上的多胺与其它多胺的混合物，例如多胺低聚物自身就是多种不同官能度多胺(包含三官能度胺)的混合物，而多胺加合物也可以与其它小分子多胺复配形成混合物，将该类型的多胺用于十二内酰胺的聚合反应并作为封端剂使用，可制备得到微交联结构的聚酰胺，相比于传统线性聚酰胺具有提升的热稳定性和机械性能。本发明经研究意外的发现，所述微交联聚酰胺作为环氧树脂阻燃剂并与聚磷酸铵协同使用可制备得到阻燃性能优异的树脂产品，从而完成了本发明。

进一步地，所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂、改性双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、酚醛型环氧树脂、脂肪族二缩水甘油醚中的一种或多种。

进一步地，所述固化剂为N-氨乙基哌嗪、二乙烯三胺、三乙烯四胺、聚醚胺、二氨基二苯基甲烷、二氨基二环己基甲烷、异佛尔酮二胺、氢化甲苯二胺、双(4-氨基-3-甲基环己基)甲烷、环己基二甲胺、咪唑、2-苯基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑、甲基四氢苯二甲酸酐、甲基六氢苯二甲酸酐、纳迪克酸酐、双氰胺、DMP-30、苄基二甲胺、脲类、聚硫醇中的一种或多种，优选二氨基二环己基甲烷、异佛尔酮二胺、聚醚胺中的一种或多种。

一种如前文所述的阻燃环氧树脂的制备方法，包括以下步骤：

1)将微交联聚酰胺和聚磷酸铵与环氧树脂混合均匀，得到A组分；

2)在搅拌条件下，将固化剂添加于步骤1)获得的A组分中，混合均匀，25-140℃固化交联后，得到所述阻燃环氧树脂。

进一步地，所述微交联聚酰胺的制备方法为：

将十二内酰胺、封端交联剂、任选地抗氧剂添加至含水的反应釜中，氮气置换后高温高压下进行开环反应，随后进行常压缩聚反应，制备得到微交联聚酰胺。

进一步地，所述开环反应条件为：反应温度230-310℃优选250-290℃，反应压力2-8Mpa优选3-6MPa，反应时间1-10h优选2-6h；

所述缩聚反应条件为：常压，反应温度200℃-280℃优选220-270℃，反应时间1-10h，优选2-6h。

进一步地，所述封端交联剂的用量为十二内酰胺质量的0.2-5％；

优选地，所述抗氧剂的用量为十二内酰胺质量的0.05-3％；更优选地，所述抗氧剂为次亚磷酸钠、次亚磷酸、抗氧剂1010、抗氧剂1098、抗氧剂168、抗氧剂626的一种或多种。

优选地，所述水的用量可以为十二内酰胺质量的3-15％.

本发明通过至少引入多胺低聚物或多胺加合物作为聚酰胺的封端交联剂，调节分子量的同时可以与聚酰胺分子更好的结合，并在一定程度上促进大分子的微交联，提高高温下聚酰胺的热稳定性和机械性能。

一种如前文所述的阻燃环氧树脂或前文所述方法制备的阻燃环氧树脂的应用，所述阻燃环氧树脂用于制备涂料、胶粘剂或纤维增强复合材料等，可进一步应用于电子电器、轨道交通、土木建筑等领域。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1)微交联聚酰胺与环氧树脂的热分解温度匹配性良好，在燃烧过程中聚磷酸铵的存在促进其脱水成炭，有效形成炭层，提高体系成炭率，阻止树脂内部材料进一步降解和燃烧，提高了环氧树脂材料的阻燃性能；

2)微交联聚酰胺与聚磷酸铵具有良好的协同效用，并且与环氧体系相容性良好，可以在提高阻燃性能的同时保证环氧树脂的机械性能不降低；

3)微交联聚酰胺作为膨胀型阻燃成炭剂不含卤素，燃烧过程毒性低，有害污染物少，符合新一代阻燃材料的要求。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步说明，本发明所述实施例只是作为对本发明的说明，不限制本发明的范围。

以下实施例、对比例中原料若无特殊说明，均通过商业购买获得。

主要测试方法：

分子量测试：采用凝胶色谱仪(GPC)；

热失重分析：取5mg树脂样品放入氧化铝坩埚中，N₂氛围下从室温10℃/min升温速率升至800℃，得到T_(5％)与T_(d,max)数据；其中，T_(5％)表示聚合物初始分解温度；T_(d,max)表示聚合物达到最大失重率的温度；

极限氧指数测试：依照国标GB/T2406-93(塑料燃烧性能试验方法:氧指数法)于氧指数测定仪GT-LOIA上测定其阻燃性能；

拉伸强度测试：依照GB/T 2567-2008于Instron5966万能材料试验机进行力学性能测试；

冲击强度测试：依照GB/T 2567-2008于Instron5966万能材料试验机进行力学性能测试。

【准备实施例1】

将200g十二内酰胺、6g水、0.1g次亚磷酸钠和6g二氨基二环己基甲烷低聚物(二氨基二环己基甲烷装置塔底液，其中二聚体含量为34.51％，双[(2-氨基环己基)甲基]环己胺含量为28.23％，二氨基二环己基甲烷含量为14.8％，万华化学)依次加入反应釜中，氮气置换三遍，先在290℃、5MPa下开环反应6h，随后降低温度至270℃，压力降至常压进行缩聚4h，反应结束后喷出得到粉末状微交联聚酰胺A，分子量为20000，测试热失重温度T_(d,max)＝386℃。

【准备实施例2】

将200g十二内酰胺、20g水、2.4g抗氧剂1010和0.4g己二胺低聚物(己二胺装置塔底液，其中N-(6-氨基己烷基)-己二胺占比为85.21％，2-氨基-3，4，5，6-二(三亚甲基)吡啶4.03％，神马实业)依次加入反应釜中，氮气置换三遍，先在270℃、3MPa下开环反应4h，随后降低温度至245℃，压力降至常压进行缩聚2h，反应结束后喷出得到粉末状微交联聚酰胺B，分子量为8000，测试热失重温度T_(d,max)＝343℃。

【准备实施例3】

将异佛尔酮二胺与1,4-丁二醇二缩水甘油醚按照摩尔比1.8：1于60℃烧瓶中反应4h，得到异佛尔酮二胺环氧加合物。取200g十二内酰胺、30g水、6g抗氧剂1010、9g异佛尔酮二胺环氧加合物和1g己二胺依次加入反应釜中，氮气置换三遍，先在250℃、6MPa下开环反应2h，随后降低温度至220℃，压力降至常压进行缩聚6h，反应结束后喷出得到粉末状微交联聚酰胺C，分子量为15000，测试热失重温度T_(d,max)＝360℃。

【准备实施例4】

将200g十二内酰胺、24g水、0.8g次亚磷酸钠和3g苯基二甲胺低聚物(苯基二甲胺装置塔底液，其中二缩苯基二甲胺占比55.34％，苯基二甲胺占比44.62％，万华化学)依次加入反应釜中，氮气置换三遍，先在260℃、5MPa下开环反应3h，随后降低温度至240℃，压力降至常压进行缩聚5h，反应结束后喷出得到粉末状微交联聚酰胺D，分子量为13000，测试热失重温度T_(d,max)＝368℃。

【准备实施例5】

将200g十二内酰胺、14g水、4.8g次亚磷酸钠和9g二氨基二苯基甲烷低聚物(二氨基二苯基甲烷装置塔底液，其中二氨基二苯基甲烷占比26.5％，2,4-双(对氨基苄基)苯胺占比54.21％，二氨基二苯基甲烷二聚物占比6.34％，万华化学)依次加入反应釜中，氮气置换三遍，先在280℃、4MPa下开环反应5h，随后降低温度至260℃，压力降至常压进行缩聚3h，反应结束后喷出得到粉末状微交联聚酰胺E，分子量为18000，测试热失重温度T_(d,max)＝380℃。

【实施例1】

称取80g双酚A环氧树脂E44，10g双酚F树脂F170，10g C12-14烷基缩水甘油醚混合均匀得到环氧树脂混合物。将12g微交联聚酰胺A和20g聚磷酸铵加入到环氧树脂混合物中混合均匀，加入15g二氨基二环己基甲烷、5g异佛尔酮二胺和25g聚醚胺D230搅拌均匀后置于烘箱中100℃固化6h，得到阻燃环氧树脂。

【实施例2】

称取85g双酚A环氧树脂E51与15g 1,4-丁二醇二缩水甘油醚混合均匀得到环氧树脂混合物。将5g微交联聚酰胺B和30g聚磷酸铵加入到环氧树脂混合物中混合均匀，加入10g二氨基二环己基甲烷和5g聚醚胺D230搅拌均匀后置于烘箱中140℃固化4h，得到阻燃环氧树脂。

【实施例3】

称取10g酚醛环氧638和90g双酚A环氧树脂E44得到环氧树脂混合物，将20g微交联聚酰胺C和6g聚磷酸铵加入到环氧树脂混合物中混合均匀，加入20g聚醚胺D230和10g异佛尔酮二胺搅拌均匀后置于烘箱中25℃下固化24h，得到阻燃环氧树脂。

【实施例4】

称取80g双酚A环氧树脂E44，8g双酚F树脂F170，12g 1,6-己二胺二缩水甘油醚混合均匀得到环氧树脂混合物。将9g微交联聚酰胺D和25g聚磷酸铵加入到环氧树脂混合物中混合均匀，加入15g二氨基二环己基甲烷、11g二乙烯三胺搅拌均匀后置于烘箱中80℃固化8h，得到阻燃环氧树脂。

【实施例5】

称取75g双酚A环氧树脂E51，15g双酚F树脂F170，10g C12-14烷基缩水甘油醚混合均匀得到环氧树脂混合物。将16g微交联聚酰胺E和13g聚磷酸铵加入到环氧树脂混合物中混合均匀，加入30g二氨基二环己基甲烷、5g DMP-30搅拌均匀后置于烘箱中100℃固化14h，得到阻燃环氧树脂。

【对比例1】

参照与实施例1基本相同的方法制备阻燃环氧树脂，区别仅在于：将微交联聚酰胺A替换为相同质量的线性树脂PA12(Wanamid^TM L2050P,万华化学)。

【对比例2】

参照与实施例1基本相同的方法制备阻燃环氧树脂，区别仅在于：制备过程中不添加微交联聚酰胺A。

【对比例3】

参照与实施例1基本相同的方法制备阻燃环氧树脂，区别仅在于：制备过程中不添加聚磷酸铵。

【对比例4】

参照与实施例1基本相同的方法制备阻燃环氧树脂，区别仅在于：制备过程中不添加任何阻燃成分，即不加微交联聚酰胺A也不加聚磷酸铵。

各实施例、对比例制备的阻燃环氧树脂进行表1中性能测试，测试结果记录于表1：

表1、阻燃环氧树脂性能测试结果

从以上测试结果可以看出，本发明制备的阻燃环氧树脂与对比例1中现有技术方案相比，具有明显提高的热分解温度和残碳率、极限氧指数，表明微交联聚酰胺和聚磷酸铵具有良好的协同阻燃效果，同时材料机械性能得到提高。对比例2与对比例4中结果比较可知，单独添加聚磷酸铵作为阻燃剂的情况下，虽然残碳率和极限氧指数得到提升，表面材料阻燃性得到改善，但远不如本发明各实施例中阻燃效果优异，同时其机械性能大幅降低。对比例3单独添加微交联聚酰胺作为阻燃成分的情况下，相比于对比例4，材料阻燃性能并未得到太大改善，而实施例1同时添加微交联聚酰胺和聚磷酸铵的情况下，各项阻燃性能得到大幅提升，表明二者具有优异的协同阻燃性，并且拉伸强度保持不下降，冲击强度有一定提升，可得到综合性能优异的阻燃环氧树脂材料。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域技术的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种阻燃环氧树脂，其特征在于，由包括以下重量份的各原料制得：

2.根据权利要求1所述的阻燃环氧树脂，其特征在于，所述微交联聚酰胺是以十二内酰胺为聚合原料，与含多胺低聚物或多胺加合物的封端交联剂反应得到的微交联产物；

优选地，微交联聚酰胺的数均分子量为8000-20000。

3.根据权利要求2所述的阻燃环氧树脂，其特征在于，所述封端交联剂至少含有二氨基二苯基甲烷低聚物、苯基二甲胺低聚物、二氨基二环己基甲烷低聚物、环己基二甲胺低聚物、己二胺低聚物、二氨基二苯基甲烷环氧加合物、二氨基二环己基甲烷环氧加合物、异佛尔酮二胺环氧加合物、己二胺环氧加合物中的一种或多种，优选至少含有二氨基二苯基甲烷低聚物、苯基二甲胺低聚物、二氨基二环己基甲烷低聚物、环己基二甲胺低聚物、二氨基二苯基甲烷环氧加合物、二氨基二环己基甲烷环氧加合物、异佛尔酮二胺环氧加合物中的一种或多种；

优选地，所述封端交联剂还包括小分子多官能度胺，优选二氨基二苯基甲烷、二氨基二环己基甲烷、三乙烯四胺、己二胺、异佛尔酮二胺中的一种或多种。

4.根据权利要求1-3任一项所述的阻燃环氧树脂，其特征在于，所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂、改性双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、酚醛型环氧树脂、脂肪族二缩水甘油醚中的一种或多种。

5.根据权利要求4所述的阻燃环氧树脂，其特征在于，所述固化剂为N-氨乙基哌嗪、二乙烯三胺、三乙烯四胺、聚醚胺、二氨基二苯基甲烷、二氨基二环己基甲烷、异佛尔酮二胺、氢化甲苯二胺、双(4-氨基-3-甲基环己基)甲烷、环己基二甲胺、咪唑、2-苯基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑、甲基四氢苯二甲酸酐、甲基六氢苯二甲酸酐、纳迪克酸酐、双氰胺、DMP-30、苄基二甲胺、脲类、聚硫醇中的一种或多种，优选二氨基二环己基甲烷、异佛尔酮二胺、聚醚胺中的一种或多种。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的阻燃环氧树脂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将微交联聚酰胺和聚磷酸铵与环氧树脂混合均匀，得到A组分；

2)在搅拌条件下，将固化剂添加于步骤1)获得的A组分中，混合均匀，25-140℃固化交联后，得到所述阻燃环氧树脂。

7.根据权利要求6所述的阻燃环氧树脂的制备方法，其特征在于，所述微交联聚酰胺的制备方法为：

将十二内酰胺、封端交联剂、任选地抗氧剂添加至含水的反应釜中，氮气置换后高温高压下进行开环反应，随后进行常压缩聚反应，制备得到微交联聚酰胺。

8.根据权利要求7所述的阻燃环氧树脂的制备方法，其特征在于，所述开环反应条件为：反应温度230-310℃优选250-290℃，反应压力2-8Mpa优选3-6MPa，反应时间1-10h优选2-6h；

所述缩聚反应条件为：常压，反应温度200℃-280℃优选220-270℃，反应时间1-10h，优选2-6h。

9.根据权利要求7所述的阻燃环氧树脂的制备方法，其特征在于，所述封端交联剂的用量为十二内酰胺质量的0.2-5％；

优选地，所述抗氧剂的用量为十二内酰胺质量的0.05-3％；更优选地，所述抗氧剂为次亚磷酸钠、次亚磷酸、抗氧剂1010、抗氧剂1098、抗氧剂168、抗氧剂626的一种或多种。

10.一种如权利要求1-5任一项所述的阻燃环氧树脂或权利要求6-9任一项所述方法制备的阻燃环氧树脂的应用，其特征在于，所述阻燃环氧树脂用于制备涂料、胶粘剂或纤维增强复合材料。