透明低磷的聚碳酸酯/P-POSS纳米复合材料阻燃性能与机理研究

Three phosphorus containing polyhedral oligomeric silsesquioxanes (P-POSSs) of perfect T8 caged structures were designed as a new class of flame retardant. It is found that P-POSS in very low content can flame retard the polycarbonate (PC) effectively, moreover, PC/P-POSS composites exhibit a transparency. The molecule structure of flame retardants, processing technology of PC composites, molecular dynamics (MD) simulations of miscibility between PC matrix and flame retardants were investigated in detail to study how to control the dispersion state of P-POSS particle in the PC matrix. Furthermore, the relationship among the miscibility of blend, the microstructural evolution process, the microstructure and transparency of material are expounded theoretically. At the same time, the effect of molecule structure of flame retardants, physical properties, and combination mode on the flame retardant, products of thermal degradation and flame of PC composites are discussed. The reason and flame retardancy mechanism of phosphorus/silicon synergy effect, which could help P-POSS to flame retard PC composites effectively by very low content are explained in detail. The research of mechanism of P-POSS flame retard PC composites effectively possesses profound meaning and offers us some theoretical basis on designing environmentally friendly flame retardant and transparent polymer flame retardant materials.

前期工作中成功合成了三种具有完整T8笼型结构的含磷低聚硅倍半氧烷（P-POSS）化合物。并发现P-POSS在很低含量时即可有效阻燃聚碳酸酯，并保持材料透明性。本项目研究阻燃剂分子结构、材料加工工艺、阻燃剂与PC基材的相容性分子模拟，掌握了P-POSS在PC基材中分散状态的调节方法，并从理论上阐明共混物的相容性、材料微观结构演变过程、材料微观形貌及材料透明性的关系。同时本项目通过研究不同阻燃剂的分子结构、物理性质、结合方式，以及阻燃剂对PC的阻性能、燃烧产物、热分解产物的影响，揭示单一阻燃剂分子P-POSS依靠分子内磷/硅协同阻燃效应实现低磷、高效阻燃PC的影响因素及阻燃机理。研究透明低磷的聚碳酸酯/P-POSS纳米复合材料阻燃性能与机理可为环境友好阻燃剂及透明高分子阻燃材料的设计提供相应的理论依据。

本项目针对透明低磷阻燃聚碳酸酯研制课题需求，研究阻燃剂分子结构、材料加工工艺、阻燃剂与PC基材的相容性，掌握了P-POSS在PC基材中分散状态的调节方法，并阐明共混物的相容性、材料微观形貌及材料透明性的关系。同时本项目通过研究不同阻燃剂的分子结构、物理性质、结合方式，以及阻燃剂对PC的阻性能、燃烧产物、热分解产物的影响，揭示单一阻燃剂分子P-POSS依靠分子内磷/硅协同阻燃效应实现低磷、高效阻燃PC的影响因素及阻燃机理。研究透明低磷的聚碳酸酯/P-POSS纳米复合材料阻燃性能与机理可为环境友好阻燃剂及透明高分子阻燃材料的设计提供相应的理论依据。.项目通过将含磷POSS化合物（P-POSS）引入聚碳酸酯中，来提高聚碳酸酯的阻燃性能，并保持材料的透光性和高玻璃化转变温度。本项目中合成笼型含磷POSS化合物DOPO-POSS和DPOP-POSS，以及梯型含磷POSS化合物DV-POSS和环梯形POSS化合物cyc-PPSQ三大类POSS化合物，将三大类POSS化合物通过熔融共混挤出的方式对聚碳酸酯进行阻燃改性，研究其微观形貌，透光性能、雾度、热变形温度、阻燃性能等，分别得到高高透光PC/DPOP-POSS复合材料、高透光和高雾度PC/DV-POSSs复合材料，以及高阻燃性PC/cyc-PPSQ复合材料。这些配方中的聚碳酸酯复合材料综合性能优异，具有重要的应用价值。.该项目研究共发表SCI科研论文6篇，出版专著1部，申请专利4项，其中1项已经获得授权。项目培养博士、硕士研究生共3人，其中培养博士研究生1名，培养硕士研究生2人，其中1人已经取得硕士学位。