基于盐湖资源的镁基多功能材料的结构设计及其对环氧树脂的阻燃、抑烟及增强机理研究

Aiming at properly highly utilizing the resource of salt lake in Qinghai China, magnesium (Mg) based multifunctional material is designed and developed via molecular design and chemistry synthesis in this project. In combination of the properties of magnesium hydroxide (MDH), crystal whisker and 9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10-oxide（DOPO）, the new functionalized materials (DOPO-MDH/MBO) are expected to have excellent flame retardancy, smoke suppression and reinforcement to epoxy resin. Based upon the study of structural properties relationship and the impact of DOPO-MDH/MBO on the flame retardancy, mechanical properties, smoke suppression and anti-aging properties, series mechanism (eg: flame retardant mechanism, smoke suppression mechanism, reinforcement mechanism) will be clarified. This study will provide a new insight and scientific evidence on the development and exploration of the source of the salt lake in the future. Also, it will theoretically offer a support to the next generation of flame retardant epoxy composite.

为高效利用盐湖资源，针对国家对高性能环氧树脂复合材料的重大需求，本项目拟开展利用盐湖资源，通过分子设计，制备新型多功能镁基材料并研究其对环氧树脂复合材料结构与性能的影响。充分结合氢氧化镁（抑烟，阻燃）、晶须（增强）、以及含磷阻燃剂（阻燃）的特点，设计制备具有阻燃、抑烟、增强等多功能于一身的新型镁基功能材料。探索氢氧化镁（MDH）在碱式硼酸镁晶须（MBO）表面的自组装行为和生长机理，实现对MDH/MBO结晶过程的有效控制；通过表面功能化，采用含磷阻燃剂（DOPO）作为镁基材料的阻燃增效剂，进一步增强复合材料的阻燃、抑烟等性能，制备DOPO-MDH/MBO镁基多功能材料。通过探讨DOPO-MDH/MBO的组成、形貌等与环氧树脂复合材料各性能之间的关系，揭示其阻燃、抑烟及增强机理。本研究将为盐湖资源深层次开发利用提供全新的研究方向和科学依据，为新一代高性能环氧树脂阻燃复合材料的设计奠定理论基础。

针对目前阻燃剂存在的提升阻燃效用和添加量大、破坏机械性能之间的矛盾，本项目利用一维无机填料的特殊形貌以及磷系阻燃剂的化学属性，设计了一系列环保高效的阻燃剂以提高环氧树脂的阻燃性能和机械力学性能。. 合成了一维氢氧化镁（rMH），将其添加至环氧树脂（EP）制备了EP/rMH复合材料，采用了实验研究与理论计算相结合的方法，系统的研究了该复合材料的热动力学、阻燃抑烟性能和机械力学性能，并与工业级片状氢氧化镁的性能相比较，成功控制rMH的添加量低于7 wt.%并且达到LOI＞30，PHRR和PSPR等燃烧参数显著降低，促进复合材料形成致密碳层，深入探讨了rMH的网络状阻燃机理，为一维无机填料的应用积累了理论基础。. 合成一维碱式硼酸镁（MBH），通过化学元素分析得到rMBH的化学分子式为2MgO·B2O3·1.5H2O制备EP/MBH复合材料，基于申请人发现EP/MBH透光率高达85%，提出无机填料与聚合物基体折光率相近可极大保持基体的透光率，部分克服了现有的不透光复合材料的固有缺点，研究了EP/MBH复合材料具有高耐摩擦性能和硬度的原因，控制MBH的添加量低于10 wt.%，提高复合材料的火安全型，深入分析了MBH的固相阻燃机理，揭示了不同形貌的无机填料对基体综合性能的影响规律。. 利用接枝反应，在rMH和MBH表面同时引入硅烷偶联剂（KH550）、磷杂菲（DOPO）和植酸（PA），合成系列含硅和磷的阻燃剂，进一步增强复合材料的阻燃抑烟性能，阐明含磷阻燃剂与基体之间的组成-结构-成碳关系。. MBH通过自组装行为在rMH表面结晶，实现对rMH-MBH结晶过程的有效控制，进一步揭示了其阻燃、抑烟机理。. 本研究为盐湖资源深层次开发利用提供全新的研究方向和科学依据，丰富目前尚不完善的阻燃理论，为新一代高性能环氧树脂阻燃复合材料的设计奠定基础。