石油資源的日益枯竭使得尋找可替代能源已經(jīng)成為行業(yè)重中之重。生物基高分子材料因其節(jié)能、環(huán)保等特點是當前高分子材料的一個重要發(fā)展方向，但是生物基熱塑性高分子材料的研究相對較少，而且因雙酚A對生命體的健康存在極大的威脅，雙酚A環(huán)氧樹脂被替代已成必然局勢。
“易燃”是環(huán)氧樹脂乃至絕大部分高分子材料的通病。添加阻燃劑是提高環(huán)氧樹脂阻燃性能的一條有效途徑。隨著歐盟兩大指令“廢棄電子電器設備指令”(WEEE)及“電子電器設備中禁用有害物質(zhì)指令”(RoHS)的頒布，傳統(tǒng)的鹵素等阻燃體系受到了很大限制，阻燃劑行業(yè)面臨著要求轉(zhuǎn)向更環(huán)保阻燃劑的壓力。
基于上述原因，中國科學院寧波材料技術與工程研究所生物基高分子材料團隊以第二大天然可再生資源木質(zhì)素的平臺化合物香草醛為原料，結(jié)合綠色的有機磷化合物，制備了香草醛基含磷自阻燃環(huán)氧樹脂。克服了前人以香草醛制備環(huán)氧之前需將香草醛還原成香草醇或氧化成香草酸等需使用大量有毒有害還原劑和氧化劑的問題，采用綠色的一鍋法將香草醛通過二元胺偶合同時與含磷化合物進行加成，以高產(chǎn)率(～93.3%)得到含磷香草醛基雙酚，進而與環(huán)氧氯丙烷反應，得到了香草醛基含磷自阻燃環(huán)氧樹脂。此類環(huán)氧樹脂固化后，表現(xiàn)出很高的Tg(～214°C)、拉伸強度(～80MPa)和模量(～2709MPa)，遠高于同樣條件下測得的雙酚A環(huán)氧樹脂(陶氏DER331)的Tg(166°C)、拉伸強度(76MPa)和模量(1893MPa)。阻燃性能優(yōu)異，得到的兩種生物基環(huán)氧都達到了UL-94V0工業(yè)阻燃級別，有限氧指數(shù)達到了～32.8%(圖1)；同時該類環(huán)氧樹脂在燃燒實驗中，沒有黑煙產(chǎn)生，而雙酚A環(huán)氧樹脂會產(chǎn)生大量黑煙。通過熱失重實驗及對阻燃實驗后炭層形貌及結(jié)構(gòu)成分分析發(fā)現(xiàn)，其優(yōu)異阻燃性的原因主要是：該類環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的膨脹成炭能力，同時形成的炭層非常致密，可以起到非常好的隔熱隔氧作用，從而防止內(nèi)部材料的進一步燃燒。目前，相關工作已發(fā)表在高分子期刊Macromolecules(2017,50(5):1892–1901)上。
該項工作得到了國家自然科學基金(51473180)、中歐合作項目(ECO-COMPASS)([2016]92)、寧波材料所春蕾人才項目等支持。
圖1香草醛基高性能阻燃環(huán)氧結(jié)構(gòu)及與雙酚A環(huán)氧的性能對比
圖2香草醛基高性能阻燃環(huán)氧的成炭能力及炭層成分分析
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