武汉工程大学刘治田教授、浙大宁波理工学院霍思奇博士 CEJ: 磷-硅聚乙烯亚胺固化剂 - 以制备持久阻燃、强韧透明环氧树脂

点击上方“蓝字” 一键订阅

环氧树脂（EP）/脂肪胺体系具有固化温度低、固化速度快、综合性能优异等优点，因而被广泛应用于各大工业领域；但其高度易燃，给人们带来极大的火灾威胁。目前的阻燃策略往往以牺牲其他性能为代价实现阻燃，同时忽视阻燃持久性。因此，开发持久阻燃的高性能EP/脂肪胺体系是十分重要的。

近日，武汉工程大学刘治田教授联合浙大宁波理工学院霍思奇博士在《Chemical Engineering Journal》期刊上发表题为“A P/Si-containing polyethylenimine curing agent towards transparent, durable fire-safe, mechanically-robust and tough epoxy resins”的论文（DOI: 10.1016/j.cej.2022.138768）。本论文基于磷-硅协同阻燃效应，合成了一种含磷/硅的聚乙烯亚胺固化剂（PES，见图1），用以制备本质阻燃抑烟高性能环氧树脂。所得EP/30PES样品的极限氧指数（LOI）高达35.0%，并且UL-94等级达V-0。与未改性的EP/15PEI样品相比，EP/30PES的热释放速率峰值（PHRR）和生烟速率峰值（PSPR）分别降低64.6%和63.8%，表明其阻燃抑烟性能出色。EP/30PES样品具有较高的可见光透过率以及优异的力学性能。由于含磷/硅基团与环氧基体形成共价连接，EP/30PES样品具有持久的阻燃性能，经酸/碱/老化实验后，仍可达到UL-94 V-0级，因而其具备广阔的应用前景。

图1 PES的合成路线

图2（a）EP试样的DSC曲线，（b）EP试样的拉伸试验应力-应变图，（c）EP试样的拉伸强度和断裂伸长率，（d）EP试样的弯曲强度和冲击强度，（e）单搭接剪切试验示意图，（f）EP/15PEI和EP/30PES在不同基材上的粘接强度，和（g）增强增韧机理示意图

与未改性的EP/15PEI样品相比，EP/30PES样品的拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度和冲击强度分别提高了39.9%、77.3%、51.9%和32.2%，证明以PES取代PEI可有效提高EP的机械强度和韧性。PES的增韧增强作用主要得益于其固化活性的降低以及结构中的柔性链段和刚性磷杂菲基团。此外，EP/30PES样品的粘接强度与EP/15PEI样品相当，表明交联网络与阻燃基团之间的共价连接有效保持了环氧树脂优异的粘接性能。

图3环氧样品的（a）热释放速率曲线，（b）总释放热量曲线，（c）燃烧性能指数和火焰生长速率，（d）生烟速率曲线，（e）总生烟量曲线，和（f）平均有效燃烧热和残炭率

当以PES替代PEI作为固化剂时，环氧固化物的LOI均在32%以上，并且均达UL-94 V-0级。在锥形量热测试中（见图3），EP/30PES样品的热释放量以及生烟量远低于EP/15PEI样品，并且表现出较低的火焰生长速率和较高的燃烧性能指数，进一步证明其阻燃抑烟性能优异。在环氧基体燃烧时，PES同时作用于气相及凝聚相，抑制燃烧以及烟雾释放。

图4（a）耐酸/碱试验后EP样品的失重率，（b）耐酸试验和（c）耐碱试验前后EP样品的LOI和UL-94等级，（d）耐老化试验后EP样品的失重率，（e）热老化试验和（f）水热老化试验前后EP样品的LOI和UL-94等级，和（g）耐酸/碱/老化机理示意图

EP/30PES样品具备与EP/15PEI样品相当的耐酸/碱/老化性能，说明阻燃基团与交联网络共价结合后，环氧固化物能有效地保持其优异的耐酸/碱/老化性能，避免阻燃成分在长期使用过程中析出。因此，经过酸、碱、老化试验后，EP/30PES样品仍然通过UL-94 V-0等级，LOI仅略有降低。

这项工作不仅为阻燃/抑烟/增韧固化剂提供了新的分子模型，而且为火安全高性能环氧树脂的制备提供了一种一体化设计思路。

本文第一作者为武汉工程大学博士研究生王成以及浙大宁波理工学院霍思奇博士，通讯作者为浙大宁波理工学院霍思奇博士以及武汉工程大学刘治田教授。同时，本工作得到了澳大利亚南昆士兰大学王浩教授和宋平安教授的指导。

原文链接：

Cheng Wang¹, Siqi Huo^1,*, Guofeng Ye, Pingan Song, Hao Wang, Zhitian Liu*, A P/Si-containing polyethylenimine curing agent towards transparent, durable fire-safe, mechanically-robust and tough epoxy resins, Chem. Eng. J., 2022, 138768

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138768

相关进展

免责声明：部分资料来源于网络，转载的目的在于传递更多信息及分享，并不意味着赞同其观点或证实其真实性，也不构成其他建议。仅提供交流平台，不为其版权负责。如涉及侵权，请联系我们及时修改或删除。邮箱：[e-mail]

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina（或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多