《固體酸磷酸硼酸性調控及催化環氧樹脂成炭機理研究》是依託北京理工大學，由郝建薇擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：固體酸磷酸硼酸性調控及催化環氧樹脂成炭機理研究
- 依託單位：北京理工大學
- 項目負責人：郝建薇
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
阻燃聚合物燃燒過程的成炭速度、成炭量及炭層的耐熱氧化程度，受制於熱降解過程的化學與物理作用，並強烈影響著阻燃效率。催化成炭阻燃劑的組成、結構、酸度及其分布是影響聚合物熱降解成炭化學反應及物理作用的關鍵。我們前期研究表明，調控磷酸硼的酸度及分布，阻燃環氧樹脂複合材料的燃燒性能差異明顯，出現了顯著不同的膨脹成炭現象，且形成了類石墨及類陶瓷炭層。因此，本項目擬採用磷酸硼作為催化成炭阻燃劑，利用改變B/P摩爾比及煅燒溫度，調控B酸和L酸的酸性位數量及比例，製備酸性不同的磷酸硼；探討磷酸硼的酸度及其分布對環氧樹脂複合材料燃燒、熱降解及膨脹成炭行為的影響規律，建立磷酸硼酸性與環氧樹脂熱降解反應及成炭反應的關係；採用模型化合物對本項目假設的磷酸硼催化EP熱降解過程中羥基脫除及釋水、芳香及烯烴產物交聯、膨脹成炭的阻燃機理進行驗證。該研究對催化成炭阻燃聚合物機理研究及催化成炭阻燃劑的設計均具有重要意義。
結題摘要
阻燃聚合物材料是產業和社會發展的火安全保障，以低煙無毒環境友好為特徵的凝聚相阻燃技術是材料科學研究的前沿熱點。阻燃聚合物燃燒過程中的成炭速度、成炭量及炭層結構，受制於熱降解過程的化學與物理作用，並強烈影響著凝聚相的阻燃效率。催化成炭阻燃劑的組成、結構、酸度及其分布是影響聚合物熱降解成炭化學反應及物理作用的關鍵。 本項目開展了五方面的研究：固體酸納米磷酸硼（BP）的製備及酸性表征；環氧樹脂複合材料（EP/BP）固化行為及力學性能研究；BP酸性及其分布對成炭速度、成炭量及炭層組成結構的影響；BP酸性及其分布對熱降解氣相及凝聚相產物組成結構的影響；催化成炭熱降解反應的驗證及拓展套用研究。得到了如下重要結果和關鍵數據： 實現了BP的酸性調控。通過改變硼/磷摩爾比（B/P=1.25、1和0.8）及產物煅燒溫度製備了表面B酸和L酸比例（B/L）不同的BP：BP1.25（1.27）＞BP1（0.40）＞BP0.8（0.35）。BP表面酸性及B/L隨B/P值的減小及煅燒溫度的升高而降低。 BP對EP複合材料固化行為及力學性能研究表明，BP具有顯著催化固化過程鏈增長反應的作用。MCNTs與BP複合可以改善材料的力學性能。BP酸性與複合材料燃燒性能及成炭參數聯繫的研究表明，BP的酸性位點越多，B酸或L酸越多，氧指數越高：BP1.25（29.4%）＞BP0.8（28.7%）＞BP1（28.3%）；熱釋放及煙釋放越低；成炭速度越快、成炭量及石墨化程度越高。EP/BP1.25的成炭速度是EP的2.3倍，700℃的殘炭量較計算值高80%。 熱降解氣相及凝聚相產物研究表明，BP表面酸性更強，B酸位點居多時，以脫H2O反應為主；L酸位點居多時，以脫氫反應為主。由此，建立了催化成炭機理模型，並通過模型化合物給予了驗證。拓展研究結果指出，BP具有催化聚氨酯泡沫熱解產物交聯成炭作用，具有催化碳纖維前驅體聚丙烯腈/木質素類石墨結構轉變作用。 本研究的科學意義在於，可以通過調控磷酸硼表面酸性及其分布實現對環氧樹脂複合材料熱降解產物的催化成炭速度、成炭量及阻燃性能的控制；為催化成炭阻燃劑的設計及提高材料的阻燃性能提供了理論依據。
