新型磷氮阻燃咪唑类潜伏型固化剂的合成及其阻燃和固化特性研究

To realize the large-scale application of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) in vehicle, rail transit, ship and other fields, the problems of molding efficiency and fire safety of composites must be solved. Prepreg forming process is one of the leading molding methods of CFRP, and epoxy resins are the most commonly used matrix resins of prepregs. However, the traditional epoxy resin systems have the disadvantages of being inflammable, short pot life and long cure cycle, which severely limits the application of CFRP. Hence, this project presents a new method, which combines intrinsic flame-retardant technology, synergistic flame-retardant technology and latent fast curing technology, to prepare epoxy resin systems for prepregs. We begin with molecular design to synthesize a class of “phosphorus-nitrogen synergistic flame retardant imidazole latent curing agents” by integrating phosphorus-containing and nitrogen-containing groups with synergistic flame retardant effect into the molecular structures of imidazole compounds, hoping to prepare novel epoxy resin systems with excellent latency, fast curing and intrinsic synergistic flame retardant properties. This project focuses on the influence rule of curing agent molecular structures on the flame retardant and curing properties of resin systems. The research results provide a new way to prepare epoxy resin systems for prepregs, and establish theoretic and technical foundation for the large-scale application of CFRP.

要实现碳纤维复合材料（CFRP）在车辆、轨道交通、船舶等领域的大规模应用，必须解决复合材料的成型效率以及火灾安全问题。预浸料成型工艺是CFRP最主要的成型方法之一，而环氧树脂是预浸料最常用的基体树脂。但传统环氧树脂体系具有易燃、适用期短和固化周期长的缺点，严重限制了CFRP的应用。对此，本项目提出一种将环氧树脂本质阻燃技术、协同阻燃技术以及潜伏性快速固化技术相结合来制备预浸料用环氧树脂体系的新方法。从分子设计角度出发，将具有协同阻燃效应的含磷、含氮基团构筑于咪唑类化合物分子结构中，设计合成一类“磷氮协同阻燃咪唑类潜伏型固化剂”，以期制备兼具“长效潜伏”、“快速固化”以及“本质协同阻燃”这三种特性的新型环氧树脂体系。项目重点研究固化剂分子结构对树脂体系阻燃和固化特性的影响规律，研究成果可为预浸料用环氧树脂体系的制备提供新方法，为CFRP的大规模应用奠定理论和技术基础。

要实现碳纤维复合材料（CFRP）在车辆、轨道交通、船舶等领域获得更大规模应用，必须解决复合材料的成型效率以及火灾安全问题。预浸料成型工艺是CFRP最主要的成型方法之一，而环氧树脂是预浸料最常用的基体树脂。但传统环氧树脂体系具有易燃、适用期短和固化周期长的缺点，严重限制了CFRP的应用。. 对此，本项目提出一种将环氧树脂本征阻燃技术和潜伏性快速固化技术相结合来制备预浸料用环氧树脂体系的新方法。将具有快速固化特性的咪唑基团以及具有阻燃效应的含磷、含氮基团构筑于同一分子结构中，设计合成了一类“阻燃咪唑类潜伏型固化剂”，制备了兼具“长效潜伏”、“快速固化”以及“本征阻燃”这三种特性的新型环氧树脂体系。项目研究了固化剂分子结构对树脂体系热性能、力学性能、阻燃和固化特性的影响规律。研究表明，改性环氧树脂体系的室温储存期大幅延长，且升温后能在10-15分钟内快速固化；固化产物的氧指数均在33%以上，通过UL94 V-0等级，且燃烧热释放强度大幅度下降；阻燃机理研究表明，此类阻燃固化剂具有气相和凝聚相双相阻燃效应；此外，固化产物具有高玻璃化转变温度和良好的力学性能。研究成果为预浸料用环氧树脂体系的制备提供了新方法，为CFRP的大规模应用奠定了理论和技术基础。