2.1 PNOH的结构表征
图2(a)为PNOH的1H-NMR谱图,各峰归属如图所示.原料N-羟乙基苯胺的—OH质子峰和N—H的质子峰依然保留,分别位于δ 4.65和5.47,二者的积分面积比接近1:1,说明在这两个位置都没有发生反应.而苯环上与N—H对位的质子峰以及DOPO的P—H质子峰消失,在δ 4.35处出现C—Hi的质子峰,且发生裂分,说明原料对羟基苯甲醛的—CHO
图2 PNOH的结构表征
Fig.2 Structural characterization of PNOH
与N-羟乙基苯胺中苯环上与N—H对位的H发生反应,并进一步与DOPO反应.另外,δ 1.97,4.03,1.17处出现的峰为柱层析时溶剂乙酸乙酯的溶剂峰.其余峰的归属如下:δ 3.05(2H,Hc),3.51(2H,Hb),6.48(2H,Hl,Hm),6.65(2H,He,Hf),7.05(2H,Hg,Hh),7.13(1H,Hq),7.19(2H,Hk,Hj),7.30~7.48(4H,H°,Hp,Ht,Hs),7.68(1H,Hu),8.13(2H,Hv,Hr),9.34(1H,Hn).
PNOH的31P-NMR谱图如图2(b)所示,只有一个单峰(δ 35.1),与原料DOPO的磷谱峰(δ 14.7)相比,谱峰位置发生了较大的位移,说明DOPO参与了化学反应.
图2(c)为DOPO与PNOH的FT-IR谱图.DOPO分子中P—H的伸缩振动峰出现在2 384.8 cm-1,苯环上的骨架振动峰出现在1 600~1 450 cm-1区域,P—Ph的振动峰在1 593.2 cm-1,P=O的伸缩振动峰在1 162.7 cm-1,P—O—Ph的伸缩振动峰在1 149.7和957.7 cm-1,1,2-二取代苯上C—H的弯曲振动峰出现在757.8 cm-1.从PNOH的谱图可见,2 384.8 cm-1处的P—H振动峰消失,而在3 200 cm-1附近出现一个很宽的特征峰,这是PNOH结构中的醇羟基、酚羟基以及亚氨基的特征峰发生重叠复合的结果; 同时,1 593 cm-1处出现P—Ph的振动峰,1 190 cm-1处为P=O的振动峰,1 170和908 cm-1处为P—O—Ph的伸缩振动峰.
另外,m/z=480.1处离子峰与PNOH的离子峰相符合(图2(d)).综上可证明成功合成了反应型阻燃剂PNOH.
图3 样品的光学照片
Fig.3 Optical images of samples
图4 样品分别在氮气和空气气氛下的TGA(a,b)和DTG(c,d)曲线
Fig.4 TGA(a,b)and DTG(c,d)curves of samples in N2 and air atmosphere respectively
2.2 PNOH/EP性能
2.2.1 相容性分析
图3为PNOH添加量不同时所得PNOH/EP的光学照片,可以看出样品EP0~EP4均呈透明状态.随PNOH添加量的增大,样品颜色变黄变深; 当PNOH的添加量(质量分数,下同)为10.0%时,制备的PNOH/EP(EP4)开始出现缺陷,内部有细微的析出物均匀地分散在基体基质中; 当PNOH的添加量进一步增大会产生明显的气泡以及相分离.可见阻燃剂PNOH添加量较大时,PNOH/EP的透明度下降.
2.2.2 热性能分析
图4为PNOH/EP的TGA和微分热重(DTG)曲线,其起始分解温度Td(质量损失5%时的温度)和700 ℃下的残炭率如表2所示.在氮气气氛下,随着PNOH添加量的增大,Td和最大分解温度Tmax都呈现逐渐减小的趋势.这是因为PNOH中含有较不稳定的磷氧基团,在较低的温度下会先发生分解[14].尽管如此,所有PNOH/EP的Td都高于300 ℃,依然具有较好的热稳定性.值得注意的是,随着PNOH添加量的增大,残炭率从19.3%增大到31.9%,说明PNOH的加入可以促进炭层的形成,起到阻燃作用.
在空气气氛下,EP0与PNOH/EP的分解过程都主要呈现两个阶段,随着PNOH添加量的增大(2.4%~7.3%),PNOH/EP第一阶段和第二阶段的最大分解温度(Tmax1和Tmax2)与EP0基本一致; 当PNOH添加量达到10.0%时,Tmax1和Tmax2都有所提高,尤其是Tmax2达到590 ℃.这是因为大量含磷基团在较低温度下分解产生的磷酸盐等促进炭层的形成,延缓了EP基体的进一步分解.此外,随PNOH添加量的增大,PNOH/EP的热分解速率逐渐减小,与EP0的1.355%/℃相比,EP4的降至0.827%/℃.
表2 样品的热性能数据
Tab.2 Thermal property data of samples
图5 样品的DSC曲线(a)及DMA曲线(b)
Fig.5 DSC curves(a)and DMA curves(b)of samples
2.2.3 DSC分析与DMA
图5(a)为样品的DSC曲线,其玻璃化温度Tg如表3所示.随着PNOH添加量的增大,PNOH/EP的Tg值依次从147.2 ℃下降至132.1 ℃.这一方面是由于PNOH中含磷基团的引入导致环氧交联密度降低; 另一方面,阻燃剂PNOH的反应活性不如固化剂DDM[15],部分阻燃剂PNOH在EP基体中没有完全参与交联固化而导致其交联密度降低,尤其是当PNOH与DDM的摩尔比达到15:85后可以看到Tg值较为明显的下降,但尽管如此,本研究中所有PNOH/EP的Tg值都高于130 ℃.
图5(b)为样品的DMA曲线,其Tg、tan δ峰值和储能模量(E')见表3.从Tg可以看出,各样品均呈现出单峰型,说明PNOH与EP的相容性较好.除了EP1的Tg值略高于EP0外,其余PNOH/EP的Tg值均低于EP0,且从EP1到EP4呈现逐渐下降的趋势.各样品的Tg值随着PNOH添加量的变化趋势,与DSC的分析结果相似.
E'代表材料的弹性成分,而损耗模量(E″)代表的是黏性成分.取190 ℃的储能模量E'(190 ℃)为橡胶态储能模量,其大小可用于评价EP固化后交联密度的大小[16],如表3所示.可以看到,随着PNOH添加量的增大橡胶态储能模量呈现减小的趋势,其中EP2、EP3与EP0相近,说明与DDM复配后得到的PNOH/EP交联密度降低; 而EP1的橡胶态储能模量达到57 MPa,相对较高,说明PNOH添加量较小时其与EP的相容性好,阻燃剂PNOH参与交联固化反应较完全.
表3 样品的DMA数据
Tab.3 DMA data of samples
从图5(b)可以看到,PNOH的添加量越大,tan δ峰值就越高,说明从EP1到EP4的交联密度逐渐降低.EP1的tan δ峰值最低,说明EP1的交联密度最高,且与EP0相比峰变宽说明交联网络结构有所改变; EP2和EP3的tan δ峰值与EP0相近; EP4的tan δ峰值最高,说明其交联密度最低.上述变化趋势与之前橡胶态储能模量体现的规律一致.
2.2.4 阻燃性能分析
表4列出了PNOH/EP的阻燃性能数据.可以看出,随着PNOH添加量的增大,PNOH/EP的LOI值逐渐增大且都高于EP0(25.8%),其中EP4的LOI值达到36.0%,可见PNOH对EP的阻燃性有很好的改善效果.加入PNOH后,PNOH/EP的垂直燃烧等级都可达到V-0级,火焰迅速熄灭且不会发生滴落现象,进一步说明PNOH能够很好地改善EP的阻燃性能.这与TGA的热稳定性能分析结果是一致的.
炭层截面:(a)EP0,(b)EP1,(c)EP2; 内部炭层:(d)EP0,(e)EP3,(f)EP4.
图6 样品烧蚀后截面和内部炭层的SEM图
Fig.6 SEM images of the cross section and internal carbon layers of samples after burning
表4 样品的阻燃性能数据
Tab.4 Flame retardant performance data of samples
2.2.5 残炭分析
图6为样品烧蚀后炭层的SEM图.可以看到,EP0和PNOH/EP燃烧后表面形成疏松多孔的炭层,而内部炭层较为光滑致密.EP0内部炭层存在孔径较大而深的孔洞,容易促进热量的传递而使其易燃烧,而PNOH/EP内部炭层的孔洞小且浅,可以很好地阻止热量的传递而延缓或终止燃烧的进行.这也进一步说明PNOH可以有效地促进炭层的形成,发挥很好的阻燃作用.