Resumen de Filler surface functionalization for flame retardant epoxy composites
La resina epoxi (EP), una clase importante y versátil de polímero termoendurecible, se ha utilizado ampliamente en recubrimientos, adhesivos y materiales compuestos. Sin embargo, los materiales compuestos basados en epoxi pueden originar riesgos de incendio ya que el EP puro es en su mayoría altamente inflamable. Como consecuencia, el desarrollo de compuestos EP a prueba de incendios se ha convertido en un tema de investigación importante y activo tanto en comunidades académicas como industriales. En los últimos años, la funcionalización de la superficie de relleno ha demostrado ser un enfoque eficaz para desarrollar retardantes de llama altamente eficientes y, al mismo tiempo, mantener otras propiedades cruciales de los compuestos poliméricos, como las propiedades térmicas y mecánicas. Con el objetivo de lograr un compuesto EP ignífugo de alto rendimiento, se han desarrollado diferentes estrategias de funcionalización para rellenos con diferentes morfologías (nanoesferas, microesferas huecas y microfibras) y composiciones químicas (polidopamina, vidrio y carbono) en esta tesis. Para ilustrar de manera adecuada cómo la funcionalización de la superficie afecta al desempeño del macro-alcance de los compuestos EP, se han investigado sistemáticamente los comportamientos interfaciales de la matriz de relleno, especialmente el carbonizado y la adhesión interfacial.
En el Capítulo 3, las nanoesferas de polidopamina cargada con hierro (Fe-PDA) y su derivado, el Fe-PDA modificado con 9,10-dihidro-9-oxa-10-fosfafenantreno-10-óxido (DOPO) se introdujeron en la resina epoxi como aditivo retardante de llama. La capacidad de recubrimiento versátil del material basado en polidopamina inspirado en mejillones ha recibido mucho interés en numerosos campos, incluida la funcionalización ignífuga de rellenos para polímeros. Sin embargo, la comprensión de las acciones ignífugas del material de polidopamina en la combustión aún permanece incompleta, lo que limita sus aplicaciones prácticas y diseños futuros como cargas de refuerzo de polímeros. En este trabajo, los nanocompuestos EP preparados que contienen 5% en peso de Fe-PDA exhibieron una inflamabilidad notablemente reducida, reflejada por el alto valor de LOI del 31.6%, clasificación V-0 en la prueba UL-94, así como una reducción del pico del 41% tasa de liberación de calor en la prueba de calorímetro de cono. Más importante aún, el Fe-PDA modificado (DOPO@Fe-PDA) exhibió una eficiencia como retardante de llama mucho menor en la resina epoxi, lo que corresponde a su capacidad de eliminación de radicales libres en comparación con el Fe-PDA no modificado. Estos resultados indicaron que la acción de eliminación de radicales libres de Fe-PDA contribuyó a la extinción de la llama en fase gaseosa. Además de la acción de la fase gaseosa, Fe-PDA también promovió el proceso de carbonización en fase condensada, lo que condujo a la formación de capas de carbonización integradas que retrasaron efectivamente la transferencia de masa y calor de la combustión. Basado en estas acciones (eliminación de radicales libres y carbonización catalítica), Fe-PDA actuó como retardante de llama no tóxico y altamente eficiente en EP.
En el Capítulo 4, se proporciona una estrategia de funcionalización de superficie híbrida inorgánica / orgánica bien diseñada para funcionalizar la microesfera de vidrio hueca (HGM, el relleno), con el objetivo de preparar un compuesto epoxi de alto rendimiento (EP, la matriz). En primer lugar, se empleó el marco de imidazol zeolítico 67 como plantilla de auto-sacrificio para construir nanoláminas de hidróxidos dobles laminares jerárquicas en la superficie de HGM. Luego, el agente de acoplamiento de silano basado en retardante de llama que contiene fósforo (DOPO) se revistió sobre las superficies tridimensionales. El compuesto EP resultante que contenía 5% en peso de HGM funcionalizado mostró un alto valor de LOI de 30.4%, clasificación V-1 en la prueba UL-94 y una reducción de 56.4% de la tasa máxima de liberación de calor en la prueba de calorímetro de cono. Mientras tanto, se logró una baja densidad (1,14 g/cm3) y una buena resistencia a la tracción (39,7 MPa) para el compuesto modificado. Más importante aún, se reveló claramente que se formaron capas de carbón densas y continuas debido al comportamiento de carbonización de abajo hacia arriba, lo que ralentiza efectivamente el calor y la transferencia de masa durante la combustión. Además, las pruebas de indentación indicaron una resistencia interfacial mejorada entre el HGM funcionalizado y la matriz EP, que fue responsable de la resistencia a la tracción mejorada del material compuesto correspondiente. Este estudio proporciona una idea de los comportamientos interfaciales (adhesión interfacial y carbonización de abajo hacia arriba) en los compuestos EP rellenos de HGM.
En el Capítulo 5, el agente de acoplamiento de silano con funcionalidad de retardaante de llama que contiene fósforo (DOPO) se revistió sobre una superficie de fibra de carbono (CF) para preparar compuestos laminados formados por CF/EP de alto rendimiento. Bajo combustión, los compuestos de fósforo injertados en la superficie promovieron el comportamiento de carbonización interfacial de los compuestos EP. Se formó una capa de carbón integrada y densa compuesta de tela de carbono con espacios sellados para proteger los materiales poliméricos en fase condensada. En consecuencia, la velocidad máxima de liberación de calor de CF@Z6020-DOPO/EP se redujo considerablemente en comparación con CF/EP. Además, la prueba de inserción de fibra reveló claramente un aumento de la resistencia interfacial de fibra / matriz debido a la existencia de grupos amina en la superficie de la fibra. La estrategia de funcionalización empleando un agente de acoplamiento de amina silano basado en organofosforados demostró ser un enfoque eficaz para preparar compuestos de EP ignífugos de alto rendimiento.
