聚合环氧可膨胀石墨材料的热学性能测量

【引言】

聚合物基材料在成本与功能方面可与金属材料媲美，在制造时间的缩短、韧性、强度、重量轻和经济方面方面，甚至比金属合金和陶瓷产品更具吸引力和优势。环氧树脂及其固化剂已广泛应用于工业防护涂层和建筑结构中。这种热固性聚合物可以满足特定物理和机械性能需求，具有很高的耐化学腐蚀性，具有良好的机械性能和热性能，以及对各种基底的优异附着力。在热应用中，环氧基材料受其有机性质的限制，因此在环氧树脂基体中寻找不同的添加剂增强体可获得更广泛的应用。经过大量研究发现，可膨胀石墨（EG）等无机膨胀剂对有机环氧树脂具有良好的阻燃效果。

尽管许多环氧树脂EG/C复合材料的研究使用锥形量热仪和TGA作为测量方法，但是复合材料中EG的含量相对较高，使用数学模型来适当地描述热值，作为改善树脂基复合材料性能研究的一部分，一种特殊的环氧树脂聚合物Prime 20LV的热反应是本实验的ZD，该环氧树脂聚合物具有相对较低的EG无机填料剂量（不同重量百分比）。Prime 20LV的选择是基于其极低的混合粘度和较长的工作时间，这使得EG等增强体能够成功注入。采用锥形量热仪和热重分析仪对聚合物及其可膨胀石墨复合材料测量，并利用德国LINSEIS THB100瞬态热桥导热分析仪进行了热导率测量。

【成果介绍】

通过双锥量热计、热重分析（TGA）和 LINSEIS THB100瞬态热桥导热分析仪，对添加不同重量百分比复合材料的可膨胀石墨（EG）无机填料的环氧聚合物（Prime™20LV）进行了燃烧测量，其中包含了放热率、临界流量、点火时间、点火温度、热惯量、运动学活化能和预指数因子等性能参数。结果表明，增加可膨胀石墨在聚合物复合材料中的用量，可使复合材料的临界流量、着火时间、着火温度、热惯量、平均导热系数和活化能（纯环氧树脂到3wt.%EG环氧为159.1±2.3～145.9±3.1kJ/mol）降低。然而，气化热随着EG含量的增加而增加。

【图文导读】

图1：环氧可膨胀石墨样品的锥形量热计测量前后

图2：不同外热流作用下纯环氧树脂的HRR曲线。

图3：不同外热流作用下含1wt.%EG环氧树脂的HRR曲线。

图4：不同外热流作用下含3wt.%EG环氧树脂的HRR曲线。

图5：不同外热流作用下含5wt.%EG环氧树脂的HRR曲线。

图6：样品成分、点火时间和外部热流的图表

图7：不同成分环氧EG在25kWm-2外热流下的HRR曲线。

图8：不同成分环氧EG在50kWm-2外热流下的HRR曲线。

图9：纯环氧-0wt%EG复合材料的临界热流密度。

图10：纯环氧样品的热惯性。

图11：复合样品的气化热。纯样，含1，3和5-wt.%EG 的斜率值分别为0.315, 0.294, 0.195和0.080。

图12：复合样品的燃烧热。纯样，含1，3和5wt.%EG 的斜率值分别为4.06、3.49、2.92和2.22。

表：环氧可膨胀石墨复合试样的着火特性。

【结论】

对有机环氧树脂复合材料中EG无机膨胀剂的分解过程进行了热测试。将复合材料样品置于不同的热通量（25、30、35和50-kWm^-2）下，发现对于特定EG含量的复合材料，点火时间和峰值热释放率均从Z低到Z高的外部热通量减小。增加环氧树脂复合材料中可膨胀石墨EG的含量，在一定的外热流密度下，可以降低环氧树脂的着火时间、临界热流密度、着火温度、热惯量、烟度和峰值放热率。发现随着EG含量的增加，环氧EG的分解活化能降低。测得纯环氧树脂的活化能为159.1kJmol^-1，而含3wt.%EG环氧树脂的活化能为145.9kJmol^-1。

（来源：林赛斯（上海）科学仪器有限公司）