含磷腈阻燃环氧丙烯酸树脂基石墨烯纳米复合材料的制备、性能及其阻燃机理的研究

In recent years, with the development of modern high-technology, UV-curable materials, particularly epoxy acrylate, have been widely used in various fields of production and life. However, their poor thermal stability, low oxygen index and flammability have greatly limited their application in many fields. Hence, in this project, based on the surface functionalization of graphene and molecular designation of polyphosphazene, high performance phosphazene-containing epoxy acrylate/graphene nanocomposites will be prepared by nanocomposite technology. The effect of functionalized graphene and heat-resistant polyphosphazene on the composition and structure of UV-curable materials are to be studied and the interaction and interface characteristics of graphene and polyphosphazene will be analyzed. The influence of functional groups on the graphene surface, molecular structure of polyphosphazene and the composite mode of the two components on the thermal stability, flame retardancy and mechanical properties of epoxy acrylate will be investigated and the synergistic mechanism will be clarified. The intrinsic relationships between the thermal stability, thermal oxidation properties, flammability of composites and their compositions and microstructure will also be investigated. Furthermore, the process of thermal decomposition and combustion and the evolution discipline of the composite, structure and stability of the char layer formated will be explored and clarified the fire retardant mechanism essentially. This project paves the way for the theoretical and experimental foundation of the novel UV-curable flame retardant materials and expands the application of UV-curable materials.

近年来，随着现代高科技的发展，光固化材料尤其是环氧丙烯酸树脂已大量应用于生产和生活各个领域，然而它热稳定性差，氧指数低，易造成火灾事故，大大限制了其使用场合。因此，本项目通过石墨烯的表面功能化、聚磷腈分子结构设计，采用纳米复合技术制备出高性能的含磷腈环氧丙烯酸树脂/石墨烯纳米复合材料；研究功能化石墨烯与耐高温聚磷腈分子对光固化材料的组成、结构的影响，分析石墨烯与聚磷腈的相互作用与界面特性；研究石墨烯表面功能化基团、聚磷腈分子结构以及两者间的复合方式，对环氧丙烯酸光固化材料的热稳定性、阻燃性能以及力学性能的影响，阐明两者的协同作用机制；研究复合材料的热稳定性、热氧化特性、燃烧特性与其组成、微观结构间的内在关系，揭示材料的热解和燃烧过程以及炭层形成过程中组成、结构和稳定性的演化规律，从本质上阐明其阻燃机理。该项目为新型光固化阻燃材料应用奠定了一定的理论和实验基础，拓展了光固化材料的应用范围。

近年来，随着现代高科技的发展，光固化材料尤其是环氧丙烯酸树脂已大量应用于生产和生活各个领域，然而它热稳定性差，氧指数低，易造成火灾事故，大大限制了其使用场合。因此，本项目通过石墨烯的表面功能化、聚磷腈分子结构设计，采用纳米复合技术制备出高性能的环氧丙烯酸树脂/石墨烯纳米复合材料；研究功能化石墨烯与含磷阻燃单元对光固化材料的组成、结构的影响，分析石墨烯与阻燃单元的相互作用与界面特性；研究石墨烯表面功能化基团、聚磷腈分子结构以及两者间的复合方式，对环氧丙烯酸光固化材料的热稳定性、阻燃性能以及力学性能的影响，阐明两者的协同作用机制。主要研究内容为：通过3-甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷（MPTES），制备了功能化石墨烯，其可以提高涂层的热性能和机械性能；通过原位聚合方法，制备有机磷酸锆层状化合物（OZrP），并将其引入到光固化透明阻燃涂层中，制备透明阻燃纳米复合涂层。热重分析和MCC研究结构表明，层状化合物能够提高涂层的热稳定性、高温成炭量和阻燃性能，降低涂层的热释放速率。同时合适OZrP，有利于提高PDHA/TGICA涂层的阻燃性能和热稳定性，并影响了涂层热降解机制；并且利用一种新颖便捷的溶剂热的方法制备了氧化石墨烯，这种溶剂是丙酮和次氯酸钠；通过硫醇-烯点击化学的方法制备八面体POSS功能化的聚磷腈纳米管，再利用紫外光辐照技术将其引入环氧丙烯酸树脂中，得到POSS改性聚磷腈纳米管/环氧丙烯酸酯纳米复合涂层。DMA测试结果表明，POSS改性聚磷腈纳米管的添加量达到3 wt%时，材料在30℃时的储能模量提高88%，且玻璃化转变温度提高16℃，具有明显的增强效果；含活性羟基的聚磷腈纳米管在温和的条件下通过原位模板法制备出来，然后利用丙烯酰氯对其改性处理得到含丙烯酰基的聚磷腈纳米管。然后通过紫外光辐照技术将其引入到聚氨酯丙烯酸酯中制备改性聚磷腈纳米管/聚氨酯丙烯酸酯纳米复合涂层。结果表明随着改性聚磷腈纳米管的添加量的增加，材料的储能模量明显提高，热分解温度提高。这些研究结果为研究复合材料的热稳定性、热氧化特性、燃烧特性与其组成、微观结构间的内在关系，揭示材料的热解和燃烧过程以及炭层形成过程中组成、结构和稳定性的演化规律，从本质上阐明其阻燃机理。该项目为新型光固化阻燃材料应用奠定了一定的理论和实验基础，拓展了光固化材料的应用范围。