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青科大雷清泉院士團隊《Compos. Part B-Eng.》：在玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料方面取得重要進展

2022-08-14 來源：高分子科技

玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料具有熱穩定好、高強度、高模量和價格低廉等優點，被廣泛用于建筑、航空航天、電器和電工材料等領域。但是，其存在阻燃性能差、阻燃和力學性能難以兼顧等缺點，限制了其在特定領域的應用。因此，對于玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料，如何同步提高阻燃和力學性能是當前面臨的一大難題。

圖 1 玻璃纖維表面原位生長SiO₂協助接枝有機磷阻燃劑，并制備環氧樹脂復合材料。

青島科技大學雷清泉院士團隊提出了一種在玻璃纖維表面原位生長多羥基SiO₂納米粒子協助接枝有機磷阻燃劑的新策略。如圖1所示，通過在玻璃纖維表面原位生長多羥基SiO₂，借助納米粒子橋連，含磷阻燃劑（DOPO）接枝量可達43.64 wt%。隨后，將接枝有DOPO的玻璃纖維與環氧樹脂復合，通過層壓法制備了玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料。

圖 2 玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料的錐形量熱曲線：(a) 熱釋放速率（HRR）；(b) 總熱釋放（THR）；(c) 總煙生成量（SPR）；(d) CO的產量（COP）。

首先對制備的玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料進行了阻燃測試，其氧指數（LOI）明顯提高，最高為37.2%；UL-94垂直燃燒達到V0級別。同時，其熱釋放速率峰值（PHRR）大幅度降低，與EP/GF相比PHRR降低了63.3%；總熱釋放和總煙生成量以及CO的產量也大幅度降低（圖2）。這表明改性后的玻璃纖維（GF@SiO₂-g-DOPO）具有良好的阻燃抑煙減毒效果。進一步，通過對比改性前后復合材料燃燒后的炭層形貌發現，GF@SiO₂-g-DOPO改變了環氧樹脂體系燃燒過程中的炭層結構，由于含磷阻燃劑化學連接在纖維表面，分解產生的磷酸催化周圍樹脂附生成炭，從而將物理屏障（纖維布）和化學炭層結合起來，在纖維布網格間形成了相互聯接合并的炭層（圖3）。對于凝聚相阻燃機理為主的環氧樹脂/玻纖體系來說，致密性炭層能更好地發揮隔熱隔氧作用，減緩基板內部的樹脂基體的分解，因此對應更優異的阻燃性能（圖4）。

圖 3 玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料的炭層形貌：(a) EP/GF；(b) EP/GF@SiO₂；(c) EP/GF@SiO₂-g-DOPO1；(d) EP/GF@SiO₂-g-DOPO2。

圖 4 玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料的燃燒模型示意圖：(a) EP/GF；(b) EP/GF@SiO₂-g-DOPO。

隨后比較了玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料的力學性能。與EP/GF相比，EP/GF@SiO₂-g-DOPO2的拉伸強度和彎曲強度分別提高了35%和26.6%；同時沖擊強度提高了60%。這主要歸因于接枝DOPO后分子中保留了大量羥基，可以與環氧樹脂分子形成氫鍵，同時可以參與環氧樹脂單體的固化過程（圖5）。玻璃纖維的網絡結構得到進一步增強，有利于增加材料的剛性；同時固化后環氧樹脂分子支鏈和側鏈增多，有利于增加材料韌性。

圖 5 改性玻璃纖維與環氧樹脂分子之間的相互作用示意圖。

綜上所述，借助多羥基SiO₂的橋連，提高了玻璃纖維表面含磷阻燃劑的接枝量；隨后制備的玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料實現了阻燃和力學性能的同步提高。這為設計綜合性能均衡的纖維增強熱固性樹脂復合材料，拓展其在高端領域的應用提供了新思路。

該工作以研究論文形式發表在復合材料領域TOP期刊Composites Part B: Engineering上（中科院大類一區，IF= 11.322）。第一作者為青島科技大學青年教師馬莉莉博士，通訊作者為聞新教授，同時本論文得到雷清泉院士、郝春成教授、唐濤研究員和Ewa Mijowska教授的指導和幫助。該研究得到了國家自然科學基金、山東省泰山學者人才工程和波蘭自然科學基金重點項目的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110176

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（責任編輯：xu）

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