炭层结构对飞机用环氧树脂阻燃抑烟机理研究

In order to ensure flight safety, it is essential to provide the aircraft epoxy resin (ER) with flame retardancy and low smoke, and meet the airworthiness requirements. The chemical and physical properties of ER after combustion are studied in this project. The effects of intumescent flame retardant with different N-P-C ratio, different starch and inorganic particles on flame retardancy, smoke suppressant and poisonous gases of ER are investigated, moreover, the theory and model of residue char with suppressing smoke, decreasing poisonous gases and flame retardancy are explored. The intumescent char thickness, hole structure, hole disperse and char density are studied by XPS, 13C-NMR, XRD, SEM, TEM and EA. The relationship among char structure, suppressing smoke, decreasing poisonous gases and flame retardancy are researched through FAR/CCAR 25.853(a)/(d), TGA-FTIR, LOI, UL-94 and cone calorimeter. The novel aircraft epoxy resin with excellent flame retardancy, suppressing smoke and lower poisonous gases will be obtained based on this project. Furthermore, the new theory and method are developed to design and prepare flame retardant and flame retardant materials through the research of char structure.

为确保飞行安全，赋予飞机环氧树脂具有阻燃、抑烟性能，并达到适航要求至关重要。本项目旨在研究环氧树脂膨胀阻燃后化学与物理性能，探索不同N-P-C比例的膨胀型阻燃剂、各类淀粉、无机粒子对环氧树脂阻燃性能、烟密度和有毒气体的影响规律，构建炭层与其抑烟、降低有毒气体释放量及阻燃关系的理论和模型。采用XPS, 13C-NMR,XRD，SEM，TEM，EA等手段，考察燃烧过程膨胀炭层的厚度、内表面微孔结构、孔径分布、密度等炭层理化性能，达炭层结构可控目的。采用民航标准FAR/CCAR25.853(a)/(d)、TGA-FTIR、LOI、UL-94及锥形量热法等揭示炭层形态与环氧树脂抑烟、有毒气体释放量及阻燃性能之间关系。通过研究，本项目预期获得阻燃性能优异和抑烟性能良好以及有毒气体释放量低的新型飞机环氧树脂阻燃材料，研究炭层结构对材料阻燃性能的机理，为指导阻燃剂的设计和阻燃材料的开发提供理论依据。

环氧树脂具有优异的物理机械、粘合和化学稳定等性能，广泛应用于航空等领域。然而环氧树脂的极限氧指数和垂直燃烧等级低、燃烧过程烟密度大等缺陷严重限制其应用。本项目采用过氧化氢氧化制备高羧基含量的羧基淀粉和羧基亚麻纤维，以获得高成炭率、低可燃性气体的成炭剂，将其与密胺树脂包覆的聚磷酸铵组成的膨胀型阻燃剂添加到环氧树脂中，依靠具有缜密和膨胀的炭层结构实现环氧树脂燃烧过程中隔热隔氧的目的，提高环氧树脂的阻燃性能和抑烟性能。本项目通过吸水测试、表面接触角分析不同成炭剂对阻燃环氧树脂耐水性的影响规律。由于阻燃剂添加量较少，成炭剂疏水性较高，因此使阻燃环氧树脂耐水性能获得提高。采用拉伸、缺口冲击研究阻燃环氧树脂的力学性能，结果发现羧基亚麻纤维为柔性纤维，具有一定长径比，在受力时将具有剪切屈服和银纹破坏两种形式，能有效吸收外界能量，从而提高了阻燃环氧树脂的力学性能。本项目不仅能为开发新型膨胀型阻燃剂提供新的思路，还扩展了天然高分子的应用领域，而且能为开发在阻燃的同时改善聚合物力学性能提供新的途径，为开发综合性能优异的航空材料等提供理论依据。