本质阻燃磷酸盐玻璃纤维增强PBT复合材料的制备及其阻燃机理研究

Glass fiber (GF) reinforced poly(butylene terephthalate) (PBT) is one kind of high performance composites, widely applied in the electronic and electrical fields. However, because of the “candlewick effect” of GF, when PBT/GF composite is ignited, the flame is extinguished with difficulty, easily causing a fire. In order to solve this problem, the phosphate glass fiber modified by organic phosphonic coupling agent (OPCA-PGF) containing intrinsically flame retardant properties has been designed and prepared, combining the low melting point property of PGF and the high flame retardant efficiency of metal phosphinate (hypophosphite). The PBT/OPCA-PGF composites have been then prepared. The intrinsic relationships between the composition, structure and pyrolysis, combustion properties have been analyzed. In the burning process of PBT/OPCA-PGF composites: 1) the relationships between the change of PGF’s physical form and the combustion behavior have been studied; 2) the influence of the phosphorus-oxygen bond rupture and the formation of phosphorus-oxygen-carbon bond to the combustion process has been investigated; 3) the evolution discipline of retarded heat and volatiles by the catalytic carbonization of OPCA on the surface of PGF has been discussed. The coupling effect to “candlewick effect” caused by the above factors has been analyzed, and the flame retardant mechanism has been revealed. This project provides the theoretical foundation and experiment evidence for the exploitation and application of halogen-free flame retardant glass fiber reinforced polymer composites. There is also a great significance to the development of academic and industry.

玻璃纤维（GF）增强聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）是一种广泛应用于电子电器等领域的高性能复合材料。然而，由于GF具有“烛芯”效应，PBT/GF复合材料在引燃后很难熄灭，极易引发火灾。本项目针对该问题，结合磷酸盐玻璃纤维的低熔点特性和次膦（磷）酸盐的高效阻燃性，设计合成具有本质阻燃功能的有机膦偶联剂修饰磷酸盐玻璃纤维（OPCA-PGF），并制备OPCA-PGF阻燃PBT复合材料，研究其组成、结构与材料热解、燃烧特性间的内在联系；探讨复合材料燃烧过程中：1）PGF物理形态变化与材料燃烧行为的关联性，2）PGF磷氧键断裂-重组反应及磷氧碳键形成对材料燃烧历程的影响，3）PGF表面OPCA催化炭化作用对材料传质传热的抑制规律；分析上述因素的耦合作用对“烛芯”效应的影响，进而揭示其阻燃机理。本项目为无卤阻燃玻璃纤维增强聚合物复合材料的开发和应用提供理论依据和实验基础，对学术和产业发展具有重要意义。

玻璃纤维（GF）增强聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）及其制品，具有力学强度高、尺寸稳定性好、相对密度低等特点，已广泛应用于电子电气、汽车、机械等领域。然而，由于GF具有“烛芯”效应，PBT/GF复合材料在引燃后很难熄灭，极易引发火灾。本项目针对该问题，首先比较研究了稀土金属次磷酸盐和次磷酸铝在PBT/GF复合材料中的阻燃机制；其次，合成了一种有机膦偶联剂，并对玻璃纤维进行了界面改性，研究了改性玻璃纤维对PBT热解、阻燃和力学性能的影响；研究了二乙基次膦酸铝和有机膦偶联剂改性玻璃纤维在PBT中的协同阻燃作用；制备了一种有机膦偶联剂改性磷酸盐玻璃纤维，研究了其对PBT热解、燃烧和力学性能的影响机制；合成了一种无水管状次磷酸锰，研究了其对改性磷酸盐玻璃纤维增强PBT复合材料热解、燃烧和力学性能的影响，阐明了复合材料的阻燃机理。研究结果表明有机膦偶联剂具有较好的催化成碳作用，可以有效地抑制（磷酸盐）玻璃纤维的“烛芯”效应。此外，在改性（磷酸盐）玻璃纤维增强PBT复合材料中加入次膦（磷）酸盐，次膦（磷）酸盐和改性（磷酸盐）玻璃纤维产生了一定的协同阻燃作用，进一步降低了复合材料的火灾危险性。本项目在执行期间已发表SCI收录论文13篇，在线出版SCI收录论文1篇；申请发明专利11项，授权4项；获得2015年度安徽省科学技术奖三等奖1项；培养博士研究生2名，硕士研究生1名。本项目的研究成果为无卤阻燃玻璃纤维增强聚合物复合材料的开发和应用提供了重要的理论依据和实验基础。本项目研究经费25万元，实际支出15.2215万元，结余9.7785万元，结余经费将用于后续研究所需的开支。