Multi-functional flame-retardant epoxy resin featuring diverse crosslinking networks
具有多种交联网络的多功能阻燃环氧树脂
工程技术TOPESI学科分类:工程科学IF(5) 13.2EI检索SCI升级版 工程技术1区SCI基础版 工程技术1区IF 13.3Highlights 突出
- •Crosslinkable small molecules additives are designed as multifunctional flame retardant for EP.
可交联小分子助剂被设计为 EP 的多功能阻燃剂。 - •Multi-crosslinking networks endowing high fire safety without conventional flame-retardant elements.
多交联网络,无需常规阻燃元素即可实现高防火安全性。 - •Modified EP thermosets revealed excellent comprehensive properties especially in toughness and strength.
改性极压热固性材料显示出优异的综合性能,尤其是在韧性和强度方面。 - •Simultaneous achievement in transparency, UV shielding and enhanced dielectric properties.
同时实现透明度、紫外线屏蔽和增强的介电性能。
Abstract 抽象
具有终极阻燃性的高性能环氧树脂 (EP),特别是在烟雾抑制方面(因为窒息是火灾中死亡的主要原因),仍然是一个重大挑战。为了解决这个问题,我们提出了一种可行的多重交联策略,通过加入含有自交联基团的添加阻燃剂(简称 BPPDN)来构建 EPs 固化过程中的多重交联网络。使用这种策略,BPPDN/EP 阻燃样品在没有卤素或磷等传统阻燃元素的情况下,在 UL-94 测试中获得了 V-0 等级。其中,15BPPDN/EP 的火灾隐患显著降低,总烟雾产生量和峰值热释放率分别降低了 38.7 % 和 22.2 %。令人惊讶的是,15BPPDN/EP 材料保持了其高透明度、优异的紫外线屏蔽和介电性能(具体来说,介电常数从 5.19 降低到 3.46;介电损耗从 0.0066 降低到 0.0045),以及超高的拉伸强度(增加 63%)、弯曲强度(增加 48%)和冲击强度(增加 75%)。本文详细研究了 BPPDN 对 EPs 的固化过程、热性能、机械性能、介电性能和阻燃性的影响,为设计无需常规阻燃元件的高透明、多功能高性能阻燃热固性树脂提供了新的方向。
Graphical abstract 图形摘要
Keywords 关键字
1. Introduction 1. 引言
环氧树脂 (EP) 是一类聚合物,其中分子中存在两个以上的环氧基团;这些聚合物通过固化剂(通常是二胺/多胺或酸酐)交联,形成具有良好物理化学性能的三维交联网络,广泛应用于涂料和胶粘剂、电气和电子电器以及复合材料[1]、[2]、[3]、[4].然而,当应用于航空、5G 通信和电子封装等前沿领域时,EP 无法满足高消防安全性(尤其是低烟雾释放)的综合要求,以及机械和介电性能、光学透明度等服务性能。最关键的方面是减少火灾现场的烟雾产生,这是火灾死亡的罪魁祸首。烟雾是可吸入颗粒和其中吸收的其他物质的复杂混合物,它们在燃烧过程中产生 [5]、[6]。火灾中与烟雾相关的主要危害包括:能见度降低、窒息、呼吸道刺激和烧伤以及中毒 [7]、[8]。为了解决上述问题,传统方法涉及将阻燃剂 (FR) 掺入 EP 基体中。出于生态和环境原因,含磷阻燃剂被认为是卤化阻燃剂的最佳替代品 [9]、[10]、[11]。 然而,越来越多的研究报道了含磷阻燃剂,尤其是有机磷阻燃剂对生态和环境的持续负面影响。令人担忧的是,暴露于这些残留物及其一些原材料会带来重大风险,包括生物毒性、生物蓄积、持久性、迁移、内分泌干扰和致癌性 [12]。


需要新的思想和理论指导,从源头上寻找现有阻燃剂的环保替代品。在过去的十年中,已经建立了不含磷和卤素等常规阻燃元素的自交联,并为解决我们小组的聚对苯二甲酸乙二醇酯等热塑性塑料中的易燃性和烟雾释放问题提供了可行的策略 [13], [14], [15], [16], [17], [18]。然而,迄今为止,这种策略很少被报道或证明在热固性塑料(如 EP)中同样有效 [19]。还报道,由于亚胺之间的交联(环化反应),高度共轭的希夫碱基提高了 EP 的热氧化稳定性 [20]、[21]、[22];而双邻苯腈基团能够在高温下自交联形成三嗪环或酞菁以形成稳定的炭化层 [23]、[24]、[25]。 由于两种类型的交联反应,即席夫碱 (–CH


在此,我们提出了一种方便可行的策略,将加性小分子 (BPPDN) 引入 EP 中。酚酞结构的存在促进了双邻苯二腈基团的环化,双邻苯二腈基团与苯酚基团一起参与树脂的固化[30]、[31]。一方面,BPPDN 有望快速产生不易燃气体来淬灭可燃自由基;另一方面,交联后,剩余部分参与碳化,然后形成保护性炭化层。无论是在气相还是冷凝相中,阻燃活性共同阻止了热量、氧气和燃料的传递以及烟雾的释放。利用与树脂基体的交联以及添加剂 BPPDN 之间的自交联,BPPDN/EP 通过各种交联反应在 EP 基体内部获得了更紧密的半互穿网络。详细研究了 EPs 的热稳定性、机械性能、阻燃性、介电性能、透明度和紫外线屏蔽性。这项工作为解决阻燃 EP 在要求苛刻的领域中的困境提供了一种有前途的策略。
2. Experimental section 2. 实验部分
2.1. Synthesis of 4-(3-aminophenoxy) phthalonitrile (3-APN)
2.1. 4-(3-氨基苯氧基)邻苯二甲腈 (3-APN) 的合成
如方案 1(a) 所示,将 3-氨基苯酚(12.01 g,110 mmol)和 4-硝基邻苯二腈(17.31 g,100 mmol)与 K2CO3(30.42 g,165 mmol)在 DMF (300 mL) 中在室温下反应 24 小时。然后将混合物倒入 NaOH 溶液 (0.1 M) 中。所得沉淀过滤,用去离子水洗涤 3 次。最后,在真空烘箱中于 80 °C 充分去除溶剂后,获得纯化的 3-APN(产量:91 %)。图 S1(a) 显示了 3-APN 的 1H NMR 谱图。

Scheme 1. Synthesis routes for (a) 3-APN, (b) BPP-D, and (c) BPPDN.
方案 1.(a) 3-APN、(b) BPP-D 和 (c) BPPDN 的合成路线。
2.2. Synthesis of 5,5′-(3-oxo-1,3-dihydroisobenzofuran-1,1-diyl) bis(2-hydroxybenzaldehyde) (BPP-D)
2.2. 5,5′-(3-氧代-1,3-二氢异苯并呋喃-1,1-二基)双(2-羟基苯甲醛)的合成 (BPP-D)
根据 Duff 反应 [32]、[33]、[34],BPP-D 的合成如方案 1(b) 所示。向培养瓶中加入 BPP(15.00 g,47 mmol)和 CF3COOH (500 mL),然后在搅拌下将己亚甲基四胺(56.08 g,400 mmol)缓慢加入到 1000 mL 三口玻璃瓶中。在氮气保护下,反应在 90 °C 下充分进行 17 h。将混合物缓慢冷却至室温,倒入 HCl(3 M,1000 mL)中搅拌 24 小时,然后用 DCM 提取混合物。用 NaHCO3、去离子水和 NaCl 溶液洗涤除去杂质。在 Na2SO4 上干燥有机层,并使用旋转蒸发器去除溶剂。最后,干燥后得到黄色的 BPP-D 固体(产量:80%)。图 S1(b) 显示了 BPP-D 的 1H NMR 谱图。
2.3. Synthesis of BPPDN 2.3. BPPDN 的合成
BPPDN 的合成路线如方案 1 (c) 所示。向培养瓶中加入 3-APN (11.75 g, 0.05 mol) 和乙醇 (500 mL),然后在 80 °C 下将 BPP-D (9.35 g, 0.025 mol) 加入配备氮气入口的培养瓶中。 反应持续 12 h。冷却至室温后,过滤沉淀,用乙醇洗涤 3 次。在真空烘箱中于 80 °C 去除溶剂后获得纯化的 BPPDN(产量:97 %)。图 S1(c) 和图 S1(d) 显示了最终目标产物 BPPDN 的成功合成。
2.4. Preparation of the flame-retardant EP thermosets
2.4. 阻燃 EP 热固性塑料的制备
基于 DGEBA/DDS 固化体系制备了阻燃 EPs (BPPDN/EP) 和对照 EPs。首先,在磁力搅拌下将 DGEBA 和化学计量阻燃剂 BPPDN 加入 250 mL 三颈烧瓶中。在 120 °C. DDS 下连续快速搅拌后得到均匀的混合物,然后加入混合物中,继续搅拌 5 分钟。然后将新制备的混合物抽空脱气 5 min,并迅速倒入特殊预热的聚(四氟乙烯)模具中,在 180 °C 下逐渐加热 2 h,在 210 °C 下加热 2 h,在 230 °C 下再加热 2 h。对照 EP 按照相同的程序制备。表 1 总结了所有 EP 热固性公式。简而言之,含有 5 wt%、10 wt% 和 15 wt% BPPDN 的 EP 分别标记为 5BPPDN/EP、10BPPDN/EP 和 15BPPDN/EP。
Table 1. Formulas of the EP thermosets.
表 1.EP 热固性塑料的公式。
Sample 样本 | DGEBA (g) DGEBA (克) | DDS (g) DDS (克) | BPPDN (wt%) BPPDN (wt%) |
---|---|---|---|
EP | 100 | 33 | 0 |
5BPPDN/EP | 100 | 33 | 5 |
10BPPDN/EP | 100 | 33 | 10 |
15BPPDN/EP | 100 | 33 | 15 |
3. Results and discussion
3. 结果和讨论
3.1. Characterization of BPPDN
3.1. BPPDN 的表征


阻燃剂 BPPDN 的热分解过程如图 1(a) 所示。BPPDN 首先在 Tmax1 = 286.2 °C 分解,直到 T5%=413.9 °C,这对应于酚酞结构的交联生成 CO2,与理论计算获得的失重百分比一致。这也符合我们最初的设计思路,即酚酞结构快速交联,稀释易燃气体,爆裂易燃自由基,这在随后的垂直燃烧测试结果中得到了很好的证明。此外,通过 DSC 测试了两种中间体和 BPPDN 的热行为 [图 1(b)]。中间体 3-APN 和 BPP-D 显示出尖锐的熔解峰,表明其纯度。在较高温度下,3-APN 的放热峰表明双苯二腈基团在 222 °C 开始交联,并在 245 °C 达到峰值。 BPPDN 的 DSC 曲线在 250 °C 时开始显示明显的放热峰,这也归因于交联。因此,BPPDN 在 230 °C、250 °C 和 300 °C 的马弗炉中分别等温处理 5 min,然后分别进行红外光谱测定。为了进行比较,还记录了原始 BPPDN 的 FT-IR 光谱 [图 1(c)]。在 230 °C 时,三嗪环中 N-H 的特征吸收峰与 –OH 的吸收峰重叠;而在 2890 cm-1 处出现新峰,这归因于三嗪和酞菁环的产生。 此外,2232 cm−1 处归因于氰基环的峰在热处理后逐渐减弱,在 300 °C 时进一步完全消失。 在 1638 cm-1 和 1618 cm-1 处新观察到的两个峰属于酞菁环的 C



Fig. 1. (a) TG and DTG curves of BPPDN, (b) DSC curves of 3-APN, BPP-D and BPPDN, (c) FTIR of BPPDN samples recorded at different temperatures, (d) curing process of EP (E51-DDS) and E51-BPPDN monitored via DSC, the molar ratio of epoxy: BPPDN=4: 1, (e) curing process of E51-DDS system accompanied by the participation of BPPDN.
图 1.(a) BPPDN 的 TG 和 DTG 曲线,(b) 3-APN、BPP-D 和 BPPDN 的 DSC 曲线,(c) 在不同温度下记录的 BPPDN 样品的 FTIR,(d) 通过 DSC 监测的 EP (E51-DDS) 和 E51-BPPDN 的固化过程,环氧树脂的摩尔比:BPPDN=4:1,(e) E51-DDS 系统的固化过程伴随着 BPPDN 的参与。
同样,先前已经证明羟基 [30] 和氰基 [35] 基团可以参与 EP 的固化。为了进一步证明 BPPDN 参与了固化,我们将 BPPDN 与 E51 以 1:4 的等效比混合。DSC 曲线显示 BPPDN/E51 确实在没有 DDS 的情况下固化[图 1(d)]。此外,如表 S1 中计算的固化活化能 [36] 所示,BPPDN 在芳香胺存在下加速了固化过程。

以上结果表明,BPPDN 确实参与了 E51 的固化反应,同时,酚酞结构的存在促进了双邻苯二腈基团在较低温度下发生环化反应并与 C

3.2. Thermal properties 3.2. 热性能
EP 热固性塑料的热稳定性通过 TGA 测量。生成的曲线如图 2 所示;相关数据见表 2,包括 5 wt% 的质量损失温度 (T5%)、最大质量损失率温度 (Tmax)、DTG 曲线的峰值(表征质量损失率)(vmax)和 700 °C 时的残余炭 (R700)。

Fig. 2. TG and DTG curves of the EP thermosets in nitrogen (a, b) and in air atmosphere (c, d).
图 2.EP 热固性塑料在氮气 (a, b) 和空气气氛 (c, d) 中的 TG 和 DTG 曲线。
Table 2. Detailed TGA data of the EP thermosets.
表 2.EP 热固性塑料的详细 TGA 数据。
Sample 样本 | N2 | Air 空气 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
T5% (oC) T5% (oC) | Tmax (oC) 最大 T (oC) | vmax (wt% min−1) V最大值 (wt% min-1) | R700 (wt%) R700 (重量%) | Calculated R700 (wt%) 计算的 R700 (wt%) | T5% (oC) T5% (oC) | Tmax1 (oC) 最大 T 1 (oC) | Tmax2 (oC) 最大 T 2 (oC) | |
EP | 401.7 | 425.5 | −20.2 | 15.7 | − | 383.1 | 410.5 | 547.5 |
5BPPDN/EP | 381.8 | 409.9 | −16.4 | 20.0 | 18.7 | 389.4 | 403.6 | 563.8 |
10BPPDN/EP | 374.7 | 400.9 | −15.5 | 25.4 | 21.8 | 370.5 | 399.7 | 561.5 |
15BPPDN/EP | 364.1 | 399.6 | −12.8 | 30.2 | 24.8 | 369.5 | 398.2 | 580.5 |
如图 2(a) 和 (b) 所示,所有 EP 热固性塑料只有一个 DTG 峰,这表明所有 EP 热固性塑料只有一个失重阶段。所有 BPPDN/EP 的 vmax 随着 BPPDN 的引入而降低。EP 的 v max 高达 -20.2 wt% min-1,而 15BPPDN/EP 的 vmax 达到 -12.8 wt% min-1。此外,所有 BPPDN/EP 样品的 T5% 和 Tmax 仅略低于 EP 样品,而 R700 逐渐增加,实验 R700 显著大于计算值。
在空气气氛中[图 2(c) 和 (d)],EP 和 BPPDN/EP 表现出两阶段的热降解过程:第一阶段在 380–400 °C(约 60 wt% 质量损失)范围内归因于交联 EP 网络链的热分解;而第一阶段形成的焦炭的氧化降解发生在第二阶段,温度为 500–700 °C。 空气气氛中EP的T5%较氮气气氛下降低了近20 °C,而BPPDN/EP仍保持相对较高的T5%,并在高温下以较低的热分解速率降解,表明BPPDN的引入增强了炭化层在高温下的稳定性,减缓了失重的最大速率, 表现出较好的热氧化稳定性。以上结果表明,BPPDN 促进了 EPs 在缩聚相中保持了大部分热分解产物,有利于提高阻燃性。
玻璃化转变温度 (Tg) 是评估 EP 热固性塑料交联网络内链段迁移率的重要指标。如图 3(a) 所示,5BPPDN/EP 的 Tg 为 209 °C,高于 EP,可能是由于大量刚性结构降低了交联内的柔韧性。然而,BPPDN/EP 的 Tg 随着 BPPDN 含量的增加而略有降低。DGEBA 的固化过程可能涉及更多的阻燃剂,–OH 基团触发 DGEBA 的阴离子开环聚合,产生更多的醚键。柔性官能团醚键数量的增加改善了 EP 的分子链运动。

Fig. 3. (a) DSC curves, (b) DMA curves, (c) gel fraction and swelling ratio, (d) tensile strength and modulus, (e) flexural strength and modulus, and (f) impact strength of the EP thermosets.
图 3.(a) DSC 曲线,(b) DMA 曲线,(c) 凝胶分数和溶胀率,(d) 拉伸强度和模量,(e) 弯曲强度和模量,以及 (f) EP 热固性塑料的冲击强度。
使用动态机械分析 (DMA) 评估 EP 热固性塑料的热机械行为。储能模量 (E′) 和损耗因子 (tan δ) 随温度的变化如图 3(b) 所示,相应的数据总结在表 S2 中。25 °C 时的 E' 显示了 EP 热固性塑料的刚度,并且所有 BPPDN/EP 在 25 °C 时的 E' 都高于 EP。其高刚性与 BPPDN 内的众多刚性基团以及芳香族 Schiff 基结构和双邻苯腈基团的亚胺键提供的分子间氢键有关。此外,tan δ 处的峰值定义为 α-弛豫转变的特征温度 (Tα)。图 3(b) 中 tan δ 的峰形更窄和更大,这意味着 BPPDN/EP 网络更加均匀。EP 热固性塑料的 E' 在 Tα后下降到恒定值,这被称为“橡胶平台”。人们普遍认为,橡胶模量(Tα + 30 °C 时的 E')通常用于描述交联密度 (νe),由以下公式计算 [37]: 其中 T 是指 Tα + 30 °C,R 是气体常数。
如表 S2 所示,BPPDN 的引入降低了 νe,这意味着由双邻苯二甲腈基团和 Schiff 基结构形成的交联网络影响了环氧-胺反应的 3D 网络,这反过来又降低了计算的表观交联密度,以及 Tg 和 Tα.为了研究 BPPDN 的引入是否影响 3D 网络的完美,以氯仿为溶剂进行了溶出凝胶测试。如图 3(c) 所示,测定所有 BPPDN/EP 的凝胶含量,均大于 EP 的 99.8 %,并且溶胀率随 BPPDN 的掺入而降低。上述结果表明,BPPDN 的引入导致 BPPDN/EP 中的完整交联网络。正如预期的那样,我们提出的氰基-希夫碱交联网络和酚酞结构有助于形成刚柔结合网络,这表明对机械性能有积极影响。
3.3. Mechanical properties
3.3. 机械性能
高交联密度和刚性基团的存在通常会导致脆性。然而,当引入柔性链段时,强度和模量会牺牲,同时表现出优异的强度和韧性,这对 EP 来说是一个巨大的挑战,尤其是当应用于需要薄厚度和高韧性的蓬勃发展的电子设备时 [38]。为了实现卓越的机械性能,我们的结构设计了大量刚性分子链,在存在额外交联网络的情况下,BPPDN 可以与树脂基体聚集并反应,形成由分子间氢键驱动的互穿类似物网络,从而构建高度交联但刚柔结合的网络。这些相互作用,包括 π-π 相互作用和 BPPDN 中基团引起的氢键相互作用 [39],有效地加强了 EP。更灵活的网络使环氧树脂高度增韧。如图 3(d)–(f) 所示,相应的数据显示在表 S3 中。BPPDN/EP 表现出比 EP 更好的拉伸、弯曲和冲击性能。特别是,10BPPDN/EP 的冲击强度最高提高了 118%。综合而言,15BPPDN/EP 表现出最佳的机械性能:拉伸强度提高了 63 %,弯曲强度提高了 48 %,冲击强度提高了 77 %。
增加的醚键网络积极调动周围交联网络的运动,加强基体以抵抗外部冲击,有效提高 BPPDN/EP 热固性材料 (BPPDN/EP) 热固性材料韧性,同时提供增加热固性材料断裂拉伸伸长率的可能性(图 S3) [40]。这种效果也可以在图 S4 中演示。原 EP 的断裂表面比较光滑,褶皱少,褶皱沿断裂方向延伸,呈现脆性断裂特性。随着BPPDN含量的增加,断裂表面变得更粗糙,裂纹交错并向各个方向延伸,表明BPPDN/EP在受到外力作用时,可以通过内部裂纹的偏转和扩散来充分耗散能量。
3.4. Flame retardancy and combustion behaviors
3.4. 阻燃性和燃烧行为
UL-94 垂直燃烧测试和 LOI 是评估聚合物阻燃性的两种常用方法。图 4(a) 描述了测试过程中的燃烧行为和极限氧指数 (LOI) 值,具体信息详见表 S4。EP 在试验中一次点火后剧烈燃烧并扩散到夹具上,燃烧时间超过 30 s;因此,它表现出无评级 (NR) 并且具有较低的 LOI 值 23.0%。相比之下,10BPPDN/EP 的阻燃剂含量仅为 10 wt%,通过了 V-0 级;而 15BPPDN/EP 在两次点火期间离开火场后立即熄灭。值得一提的是,BPPDN 的自交联产生 CO2(一种不易燃气体)有助于在低热通量下快速燃尽,而质子酸的产生也促进了氰基的环化以及席夫碱的交联,生成氨以进一步阻止聚合物的燃烧。

Fig. 4. (a) Digital photos of the sample burning process during the UL-94 test at different times, LOI values and UL-94 ratings, (b) HHR curves and (c) TSP curves from cone calorimetry, (d) Specific optical density of smoke curves of the EP thermosets.
Table 3. Cone calorimetric results of the EP thermosets.
Sample | TTI | p-HRR | THR | p-SPR | TSP | p-COY | p-CO2Y | Residue | Dsmax |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
(s) | (kW m−2) | (MJ m−2) | (m2 s) | (m2) | (kg/kg) | (kg/kg) | (wt%) | ||
EP | 63 | 1351.7 | 92.3 | 0.35 | 33.6 | 2.07 | 5.25 | 8.3 | >1320 |
5BPPDN/EP | 67 | 1168.3 | 98.4 | 0.38 | 31.6 | 1.40 | 4.94 | 11.7 | >1320 |
10BPPDN/EP | 58 | 1133.6 | 82.0 | 0.35 | 28.6 | 0.97 | 4.78 | 16.8 | 1054 |
15BPPDN/EP | 43 | 1051.0 | 73.5 | 0.25 | 20.6 | 0.93 | 4.39 | 20.4 | 906 |
3.5. Mechanism of flame retardation and smoke suppression

Fig. 5. Volatile products analyses. (a) TG-FTIR spectra for the degradation products of EP and 15BPPDN/EP recorded at different temperatures, (b) total ion chromatograms of EP and 15BPPDN/EP at 700 °C from Py-GC/MS and their representative pyrolysis products.

Fig. 6. Condensed charring analyses. (a) Digital photos of the burning residues, SEM micrographs of exterior and interior char residues for the EP thermosets, (b) Raman spectra, (c) FT-IR measurements, XPS high-resolution spectra of (d) EP and (e) 15BPPDN/EP for N1s for the EP thermosets after cone calorimetry.






Fig. 7. Schematic illustration of the mechanism (mode-of-action) for enhancing the fire safety of the EP matrix.
3.6. Multifunctional properties
3.6.1. Dielectric properties

Fig. 8. The variation in the (a) dielectric constant and (b) dielectric loss versus frequency for the EP thermosets; (c) Ultraviolet images and digital images of (d) EP and (e) 15BPPDN/EP.
3.6.2. Transparency of the EP thermosets

Fig. 9. Statistical results for flame retardancy and mechanical properties in Δ Tensile strength, Δ Impact strength, Δ TSP compared with previous literature which all passed V-0 in UL-94 test.
4. Conclusion
CRediT authorship contribution statement
Declaration of competing interest
Acknowledgments
Appendix A. Supplementary data
Supplementary Data 1.
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