Thermal Stability and Mechanical Properties of the Composite of Epoxy Resin with Ammonium Polyphosphate/Ceramic Precursor Modified Bamboo-based Porous Carbon as Synergistic Flame Retardant

doi:10.7503/cjcu20230030

Abstract

Abstract:

Green， low cost and high performance have always been the challenges of material preparation. The porous bamboo-based carbon material（MPCM） modified by silicon boron ceramic precursor was prepared by the reaction of silane coupling agent（hydrolysate silanol） and boric acid in this paper. Among them， the limiting oxygen index of epoxy resin（EP） modified by γ-glycidyl ether oxypropyl trimethoxysilane（KH560）， boric acid MPCM（M6PCM， mass fraction 1.6%） and ammonium polyphosphate（APP， mass fraction 6.2%）（EP/APP/M6PCM） reached 31.1%， the peak heat release rate decreased by 60%， and the residual char increased by 12.7%， the glass transition temperature was increased to 136 ℃， and the storage modulus reached 3319 MPa. The mechanism study showed that the silicon boron ceramic precursor on the surface of M6PCM expedited the removal of H₂O and NH₃ from APP to form polyphosphoric acid， and promoted the formation of ceramic-like carbon and the transformation of graphite-like carbon. Compared with the results of relevant literature published in recent years， APP/M6PCM system shows cost advantages while improving the properties of EP composites.

Key words: Silicon-boron compound, Porous carbon material, Epoxy resin, Flame retradant

CLC Number:

O631

TrendMD:

WANG Fang, HAO Jianwei. Thermal Stability and Mechanical Properties of the Composite of Epoxy Resin with Ammonium Polyphosphate/Ceramic Precursor Modified Bamboo-based Porous Carbon as Synergistic Flame Retardant[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(8): 20230030.

Figures/Tables 10

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Sample	Atomic fraction（%）
Sample	C	N	O	B	Si
PCM	71.89	—	27.85	0	0.26
M5PCM	84.89	0.22	12.96	1.24	0.69
M6PCM	75.96	—	19.53	2.27	2.24
M7PCM	79.75	—	17.18	1.67	1.40

Sample	Atomic fraction（%）
Sample	C	N	O	B	Si
PCM	71.89	—	27.85	0	0.26
M5PCM	84.89	0.22	12.96	1.24	0.69
M6PCM	75.96	—	19.53	2.27	2.24
M7PCM	79.75	—	17.18	1.67	1.40

Sample	w（APP）（%）	w（PCM）（%）	w（MPCM）（%）	LOI（%）	UL 94 vertical burning test（3.2 mm）
Sample	w（APP）（%）	w（PCM）（%）	w（MPCM）（%）	LOI（%）	t₁^a /s	t₂^a /s	Dripping	Rate
EP	—	—	—	24.6	BC ^b	BC ^b	Yes	NR ^c
EP/APP/PCM	6.2	1.6	—	29.9	3	3	No	V⁃0
EP/APP/M5PCM	6.2	—	1.6	30.6	2	3	No	V⁃0
EP/APP/M6PCM	6.2	—	1.6	31.1	1	2	No	V⁃0
EP/APP/M7PCM	6.2	—	1.6	30.8	2	3	No	V⁃0

Sample	w（APP）（%）	w（PCM）（%）	w（MPCM）（%）	LOI（%）	UL 94 vertical burning test（3.2 mm）
Sample	w（APP）（%）	w（PCM）（%）	w（MPCM）（%）	LOI（%）	t₁^a /s	t₂^a /s	Dripping	Rate
EP	—	—	—	24.6	BC ^b	BC ^b	Yes	NR ^c
EP/APP/PCM	6.2	1.6	—	29.9	3	3	No	V⁃0
EP/APP/M5PCM	6.2	—	1.6	30.6	2	3	No	V⁃0
EP/APP/M6PCM	6.2	—	1.6	31.1	1	2	No	V⁃0
EP/APP/M7PCM	6.2	—	1.6	30.8	2	3	No	V⁃0

Flame retardant+Synergist	LOI（%）	HRR/（kW∙m^-2）	THR/（MJ∙m^-2）	T_g/℃	E' ^a /MPa	Cost ^b /（￥∙kg^-1）	Ref.
C₆₀	30.0	568	86.5	197	2186（25）	1998000	［34］
Graphite/DOPO	31.3	370	—	148	1243（40）	621500	［35］
Graphite oxide	28.8	1053	69.3	174	1930（50）	370000	［25］
PER/CB	26.2	436	86.9	—	—	1670	［36］
DOPO	33.5	510	38.8	158	1800	2260	［37］
Vanillin/DOPO	30.5	805	72.0	170	1700	3007	［38］
Lignin/DOPO	35.2	287	64.1	91	1700	2620	［39］
DDM/DOPO	27.5	595	67.6	—	—	30000	［40］
HCTP/Vanillin/TA	31.5	591	72.7	139	1964	3000	［41］
HNT/HCCP/FeCl₃⋅6H₂O	30.8	332	84.1	149	2422	3843	［42］
APP/M6PCM	31.1	549	31.0	136	3319	200	This work