耐燒蝕有機硅-環(huán)氧樹脂的制備及其協(xié)效殘?zhí)啃阅苎芯?/h1>
2014-09-11 02:04:50潘冬冬蔡緒福
中國塑料 2014年6期
潘冬冬，蔡緒福
（四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都610065）
0 前言
隨著科技的進步與發(fā)展，阻燃耐燒蝕材料廣泛應(yīng)用于航空、航天業(yè)以及日常生活中。常見的阻燃耐燒蝕材料有二氧化硅、石墨、銅等無機或金屬材料。20世紀(jì)，國外對高分子耐燒蝕材料也已經(jīng)展開了研究。
硅樹脂材料作為一種新型多功能材料，其具有優(yōu)良的耐熱性[1]、介電性[2-4]、抗震性[5]等功能，受到國內(nèi)外高度重視。但有機硅樹脂其耐化學(xué)性能、力學(xué)性能、附著力等性能[6]上暴露了很多的缺點。我們常常使用環(huán)氧樹脂[7-8]對其進行改性，通過加入環(huán)氧基團或環(huán)氧樹脂，以獲得優(yōu)良的材料。然而，環(huán)氧樹脂阻燃性能較差，常見環(huán)氧樹脂的極限氧指數(shù)一般為19.8%。另外，有機硅樹脂在高溫下往往擁有高殘?zhí)苛?，但其阻燃性能一般，達(dá)不到一定的阻燃級別。為了獲得一種高殘?zhí)柯?、耐燒蝕的材料，我們使用有機硅和環(huán)氧樹脂這2種基材，就需要考察有機硅-環(huán)氧樹脂具體的殘?zhí)壳闆r以及阻燃性能。
本文采用有機硅樹脂（R610）與環(huán)氧樹脂（E44）按照不同組分配比進行共混改性，首先確定了有機硅與環(huán)氧樹脂之間的比例，制備了耐燒蝕、高殘?zhí)柯实挠袡C硅-環(huán)氧樹脂，并研究了其添加阻燃劑后的阻燃等性能。
1 實驗部分
1.1 主要原料
硅樹脂，R610，中藍(lán)晨光化工研究院；
環(huán)氧樹脂，E44，藍(lán)星化工新材料股份有限公司無錫樹脂廠；
固化劑鄰苯二甲酸酐，分析純，成都市科龍化工試劑廠；
硅烷偶聯(lián)劑，KH-560，成都市科龍化工試劑廠；
高聚合度APP，聚合度＞1500，浙江龍游藝戈德化工有限公司。
1.2 主要設(shè)備及儀器
氧指數(shù)分析儀，XYC-75，承德市金建檢測儀器公司；
垂直燃燒測試儀，CFZ-2，南京江寧縣分析儀器廠；
熱失重 分析儀 （TG），209F1，德國 NETZSCH公司。
1.3 樣品制備
不同比例的有機硅-環(huán)氧樹脂的共混與固化：在裝有攪拌器、冷凝管的三口瓶中按一定質(zhì)量比依次加入甲基硅樹脂R610、環(huán)氧樹脂E44（如表1所示）以及樹脂總質(zhì)量1.5%的偶聯(lián)劑KH-560，在80℃的溫度下，高速攪拌反應(yīng)3 h；
向三口瓶中加入占環(huán)氧樹脂含量54%的鄰苯二甲酸酐固化劑，提高攪拌速度，并升高溫度至120℃，0.5 h后倒入模具中，放入135℃真空烘箱中固化4 h；
阻燃樣條的制備：在裝有攪拌器、冷凝管的三口瓶中按比例依次加入比例為7∶3的硅樹脂R610、環(huán)氧樹脂E44、1.5%KH-560、協(xié)效阻燃劑 APP（加入比例如表2所示），在80℃的溫度下，高速攪拌反應(yīng)3 h，然后以固化劑鄰苯二甲酸酐進行固化；倒入特定的阻燃模具中，放在135℃的真空烘箱中固化4 h。
1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征
TG分析：在氮氣的氛圍中進行，升溫速率為10℃/min，測試樣品30～800℃質(zhì)量變化，從而研究樣品的熱性能；
表2 不同阻燃劑的添加量Tab.2 Different content of the flameretardant loading
極限氧指數(shù)分析：采用GB/T 2406—1993對阻燃樣品進行測試，試樣尺寸為100 mm×10 mm×4 mm；
垂直燃燒分析：采用GB 2408—1996對阻燃樣品進行測試，試樣尺寸為127 mm×12.7 mm×1.6 mm；
元素分析：將固化后有機硅和有機硅-環(huán)氧樹脂樣條放在馬弗爐中，加熱到800℃，收集1 h后的殘余物，通過元素分析儀對燃燒后殘余物進行測試，研究殘?zhí)课锝M成。
2 結(jié)果與討論
2.1 有機硅-環(huán)氧樹脂比例的確定
首先對固化后的純有機硅樹脂和環(huán)氧樹脂進行TG分析，繪制其曲線（圖1）。
圖1 固化后有機硅樹脂R610和環(huán)氧樹脂E44的TG曲線Fig.1 TG curves for silicone and epoxyresin
根據(jù)其數(shù)據(jù)擬合出一定質(zhì)量比有機硅-環(huán)氧樹脂TG曲線，定位其比例下的理論TG曲線。再測試實驗樣條，對比不同比例的有機硅-環(huán)氧樹脂的熱失重實際情況與理論情況。具體對比如圖2所示。
從圖2中可以看出當(dāng)有機硅含量較多時，樹脂殘?zhí)繘]有協(xié)效作用。而有機硅含量較少時，樹脂常常在高溫下（＞400℃），才體現(xiàn)一定的協(xié)效殘?zhí)康淖饔?。只有，?dāng)有機硅含量達(dá)到70%時，有機硅樹脂-環(huán)氧樹脂之間存在較好協(xié)效作用。所以可以認(rèn)為在有機硅-環(huán)氧樹脂的比例為7∶3時，兩基材可以更好地提高材料在高溫下的殘?zhí)柯?。?dāng)有機硅的比例達(dá)到70%，對在此比例下其對環(huán)氧樹脂的包覆最好，低于這個值會過分的暴露環(huán)氧樹脂，起不到包覆作用。燃燒一段時候后，才能夠起到一定的包覆作用。而過多的有機硅的活性端基與環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基團反應(yīng)，環(huán)氧基的消耗會減低體系的固化交聯(lián)密度，不利于樹脂在燃燒過程中形成有效炭層。所以它沒有協(xié)效殘?zhí)孔饔谩?/p>
圖2 不同環(huán)氧樹脂含量時的理論與實際TG曲線對比Fig.2 Theoretical and practical TG curves for the samples with different contents of epoxyresin
2.2 殘?zhí)课镌胤治?/h3>
如表3、4所示，從殘?zhí)课锏脑乇壤梢钥闯鲇袡C硅-環(huán)氧樹脂在高溫下殘余C元素達(dá)到17.98%。我們知道有機硅的裂解會從側(cè)鏈斷裂，殘余C元素含量只有5%左右。純環(huán)氧樹脂在800℃高溫的殘余量不到10%，而現(xiàn)有有機硅-環(huán)氧樹脂的C元素比例較大，說明在高溫下材料能形成有效炭層，能夠達(dá)到保護碳鏈的作用。另外，根據(jù)O、Si的比例，我們猜測可能形成了無機陶瓷類物質(zhì)SixOyCz。
表3 有機硅R610樹脂殘?zhí)课锔髟睾縏ab．3 Chemical elements in combustion res idue of silicone resin（R610）
表4 有機硅－環(huán)氧樹脂殘?zhí)课镌胤治鯰ab．4 Chemical elements in combustion res idue of silicon－epoxy resin
2.3 協(xié)效阻燃劑的添加
不同比例有機硅和環(huán)氧樹脂共混后，測試了其固化后樹脂的阻燃性能。在未添加阻燃劑時，樹脂的極限氧指數(shù)如表5所示。
表5 樹脂不同比例對燃燒性能的影響Tab.5 Effect of differentresin content on combustion performance of silicon-epoxyresin
所以，雖然有機硅-環(huán)氧樹脂有較高的極限氧指數(shù)，但達(dá)不到一定的阻燃等級，在點燃后沒有自熄的性質(zhì)。
因此，加入了不同含量的協(xié)效阻燃劑APP，以期進一步提高有機硅-環(huán)氧樹脂的阻燃作用，其極限氧指數(shù)、阻燃等級如表6所示。其TG分析對比如圖3所示。
由圖3可以看出添加APP常常會使殘?zhí)苛肯陆?，而只有?dāng)APP添加量為10%時，在800℃的殘?zhí)苛坑兴岣?。?dāng)APP添加量達(dá)15%時，過量的APP難以溶入樹脂中，對樹脂的殘?zhí)孔饔眯Ч^小。
表6 APP含量對樹脂燃燒性能的影響Tab.6 Effect of APP content on combustion performance of silicon-epoxyresin
圖3 有機硅-環(huán)氧樹脂添加不同比例APP的TG曲線Fig.3 TG curves of silicon-epoxyresin with different APP content
3 結(jié)論
（1）當(dāng)R610/E44＝70/30時，有機硅 -環(huán)氧樹脂在高溫下的殘?zhí)柯瘦^高，且體現(xiàn)相互之間協(xié)效殘?zhí)康男再|(zhì)；
（2）環(huán)氧樹脂中添加有機硅能夠有效形成炭層，保護碳鏈結(jié)構(gòu)，在高溫下可能生成了陶瓷化無機耐燒蝕物質(zhì)SixOyCz；
（3）未加阻燃劑的有機硅-環(huán)氧樹脂，雖然有較好的殘?zhí)柯?，但阻燃性能較差，需要添加阻燃劑；當(dāng)添加10%的APP時，樹脂具有良好的阻燃性能和顯著的耐燒蝕性能。
[1]Abdellah L，Boutevin B.Study of Photocrosslinkable Polysiloxanes Bearing Gem Di-styrenyl Groups-Synthesis and Thermal Properties[J].European Polymer，2003，39（1）：49-56.
[2]Favaloro M，Starett S，Bryanos J.High Temperature Dielectric Composites.[C]//In：6th DoD EM Window Symposium.Covina：CA，1995：17-19.
[3]Ohshita J，I ida T，Uemura T.Synethesis of Poly｛[bis（diethynylphenyl）silylene]phenylene｝s with Highly Heat-resistant Properties and an Application to Conducting Materials[J].J Org Chem，2004，9（1）：1540-1545.
[4]Chen Wen-chang，Yen Cheng-tyng.Effects of Slurry Formulations on Chemical-mechanical Polishing of Low Dielectric Constant Polysiloxanes：Hydr ido-organo Siloxane and Methyl Silsesquioxane[J].Journal of Vacuum Science and Technology B，2000，18（1）：201-207.
[5]Change J C.Aerospace Materials and Structuralresearchinto the Next Millennium [C]//In：42thinternational SAMPE Symosium.Covina：CA，1997：435-451.
[6]儲九榮.有機硅高聚物改性環(huán)氧樹脂的方法與機理[J].高分子通報，1999（2）：66-73.Chu Jiurong.Methods and Mechanisms of Epoxyresin Modified by Polysiloxane[J].Polymer Bulletin，1999（2）：66-73.
[7]焦 劍，藍(lán)立文，陳立新.環(huán)氧樹脂的增韌[J].化工新型材料，2000，28（5）：7-11.Jiao Jiang，Lan Liwen，Chen Lixin.Development of Toughened Epoxyresins[J].New Chemical Materials，2000，28（5）：7-11.
[8]陳 平，劉勝平.環(huán)氧樹脂[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版，1999：3.
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潘冬冬，蔡緒福
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隨著科技的進步與發(fā)展，阻燃耐燒蝕材料廣泛應(yīng)用于航空、航天業(yè)以及日常生活中。常見的阻燃耐燒蝕材料有二氧化硅、石墨、銅等無機或金屬材料。20世紀(jì)，國外對高分子耐燒蝕材料也已經(jīng)展開了研究。
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1 實驗部分
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高聚合度APP，聚合度＞1500，浙江龍游藝戈德化工有限公司。
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氧指數(shù)分析儀，XYC-75，承德市金建檢測儀器公司；
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1.3 樣品制備
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向三口瓶中加入占環(huán)氧樹脂含量54%的鄰苯二甲酸酐固化劑，提高攪拌速度，并升高溫度至120℃，0.5 h后倒入模具中，放入135℃真空烘箱中固化4 h；
阻燃樣條的制備：在裝有攪拌器、冷凝管的三口瓶中按比例依次加入比例為7∶3的硅樹脂R610、環(huán)氧樹脂E44、1.5%KH-560、協(xié)效阻燃劑 APP（加入比例如表2所示），在80℃的溫度下，高速攪拌反應(yīng)3 h，然后以固化劑鄰苯二甲酸酐進行固化；倒入特定的阻燃模具中，放在135℃的真空烘箱中固化4 h。
1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征
TG分析：在氮氣的氛圍中進行，升溫速率為10℃/min，測試樣品30～800℃質(zhì)量變化，從而研究樣品的熱性能；
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垂直燃燒分析：采用GB 2408—1996對阻燃樣品進行測試，試樣尺寸為127 mm×12.7 mm×1.6 mm；
元素分析：將固化后有機硅和有機硅-環(huán)氧樹脂樣條放在馬弗爐中，加熱到800℃，收集1 h后的殘余物，通過元素分析儀對燃燒后殘余物進行測試，研究殘?zhí)课锝M成。
2 結(jié)果與討論
2.1 有機硅-環(huán)氧樹脂比例的確定
首先對固化后的純有機硅樹脂和環(huán)氧樹脂進行TG分析，繪制其曲線（圖1）。
圖1 固化后有機硅樹脂R610和環(huán)氧樹脂E44的TG曲線Fig.1 TG curves for silicone and epoxyresin
根據(jù)其數(shù)據(jù)擬合出一定質(zhì)量比有機硅-環(huán)氧樹脂TG曲線，定位其比例下的理論TG曲線。再測試實驗樣條，對比不同比例的有機硅-環(huán)氧樹脂的熱失重實際情況與理論情況。具體對比如圖2所示。
從圖2中可以看出當(dāng)有機硅含量較多時，樹脂殘?zhí)繘]有協(xié)效作用。而有機硅含量較少時，樹脂常常在高溫下（＞400℃），才體現(xiàn)一定的協(xié)效殘?zhí)康淖饔?。只有，?dāng)有機硅含量達(dá)到70%時，有機硅樹脂-環(huán)氧樹脂之間存在較好協(xié)效作用。所以可以認(rèn)為在有機硅-環(huán)氧樹脂的比例為7∶3時，兩基材可以更好地提高材料在高溫下的殘?zhí)柯?。?dāng)有機硅的比例達(dá)到70%，對在此比例下其對環(huán)氧樹脂的包覆最好，低于這個值會過分的暴露環(huán)氧樹脂，起不到包覆作用。燃燒一段時候后，才能夠起到一定的包覆作用。而過多的有機硅的活性端基與環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基團反應(yīng)，環(huán)氧基的消耗會減低體系的固化交聯(lián)密度，不利于樹脂在燃燒過程中形成有效炭層。所以它沒有協(xié)效殘?zhí)孔饔谩?/p>
圖2 不同環(huán)氧樹脂含量時的理論與實際TG曲線對比Fig.2 Theoretical and practical TG curves for the samples with different contents of epoxyresin
2.2 殘?zhí)课镌胤治?/h3>
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表3 有機硅R610樹脂殘?zhí)课锔髟睾縏ab．3 Chemical elements in combustion res idue of silicone resin（R610）
表4 有機硅－環(huán)氧樹脂殘?zhí)课镌胤治鯰ab．4 Chemical elements in combustion res idue of silicon－epoxy resin
2.3 協(xié)效阻燃劑的添加
不同比例有機硅和環(huán)氧樹脂共混后，測試了其固化后樹脂的阻燃性能。在未添加阻燃劑時，樹脂的極限氧指數(shù)如表5所示。
表5 樹脂不同比例對燃燒性能的影響Tab.5 Effect of differentresin content on combustion performance of silicon-epoxyresin
所以，雖然有機硅-環(huán)氧樹脂有較高的極限氧指數(shù)，但達(dá)不到一定的阻燃等級，在點燃后沒有自熄的性質(zhì)。
因此，加入了不同含量的協(xié)效阻燃劑APP，以期進一步提高有機硅-環(huán)氧樹脂的阻燃作用，其極限氧指數(shù)、阻燃等級如表6所示。其TG分析對比如圖3所示。
由圖3可以看出添加APP常常會使殘?zhí)苛肯陆?，而只有?dāng)APP添加量為10%時，在800℃的殘?zhí)苛坑兴岣?。?dāng)APP添加量達(dá)15%時，過量的APP難以溶入樹脂中，對樹脂的殘?zhí)孔饔眯Ч^小。
表6 APP含量對樹脂燃燒性能的影響Tab.6 Effect of APP content on combustion performance of silicon-epoxyresin
圖3 有機硅-環(huán)氧樹脂添加不同比例APP的TG曲線Fig.3 TG curves of silicon-epoxyresin with different APP content
3 結(jié)論
（1）當(dāng)R610/E44＝70/30時，有機硅 -環(huán)氧樹脂在高溫下的殘?zhí)柯瘦^高，且體現(xiàn)相互之間協(xié)效殘?zhí)康男再|(zhì)；
（2）環(huán)氧樹脂中添加有機硅能夠有效形成炭層，保護碳鏈結(jié)構(gòu)，在高溫下可能生成了陶瓷化無機耐燒蝕物質(zhì)SixOyCz；
（3）未加阻燃劑的有機硅-環(huán)氧樹脂，雖然有較好的殘?zhí)柯?，但阻燃性能較差，需要添加阻燃劑；當(dāng)添加10%的APP時，樹脂具有良好的阻燃性能和顯著的耐燒蝕性能。
[1]Abdellah L，Boutevin B.Study of Photocrosslinkable Polysiloxanes Bearing Gem Di-styrenyl Groups-Synthesis and Thermal Properties[J].European Polymer，2003，39（1）：49-56.
[2]Favaloro M，Starett S，Bryanos J.High Temperature Dielectric Composites.[C]//In：6th DoD EM Window Symposium.Covina：CA，1995：17-19.
[3]Ohshita J，I ida T，Uemura T.Synethesis of Poly｛[bis（diethynylphenyl）silylene]phenylene｝s with Highly Heat-resistant Properties and an Application to Conducting Materials[J].J Org Chem，2004，9（1）：1540-1545.
[4]Chen Wen-chang，Yen Cheng-tyng.Effects of Slurry Formulations on Chemical-mechanical Polishing of Low Dielectric Constant Polysiloxanes：Hydr ido-organo Siloxane and Methyl Silsesquioxane[J].Journal of Vacuum Science and Technology B，2000，18（1）：201-207.
[5]Change J C.Aerospace Materials and Structuralresearchinto the Next Millennium [C]//In：42thinternational SAMPE Symosium.Covina：CA，1997：435-451.
[6]儲九榮.有機硅高聚物改性環(huán)氧樹脂的方法與機理[J].高分子通報，1999（2）：66-73.Chu Jiurong.Methods and Mechanisms of Epoxyresin Modified by Polysiloxane[J].Polymer Bulletin，1999（2）：66-73.
[7]焦 劍，藍(lán)立文，陳立新.環(huán)氧樹脂的增韌[J].化工新型材料，2000，28（5）：7-11.Jiao Jiang，Lan Liwen，Chen Lixin.Development of Toughened Epoxyresins[J].New Chemical Materials，2000，28（5）：7-11.
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