王芳草，魏 瑋，劉曉亞，李小杰

（江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，江蘇無錫 214122）

紫外光（UV）固化涂料是一種經(jīng)紫外光照射能快速固化交聯(lián)成膜的新型涂料，近年來受到涂料研究領(lǐng)域的重視。與傳統(tǒng)的熱固化涂料相比，UV 固化涂料具有室溫固化、能耗低及實(shí)用性廣等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于塑料、紙張、木材等熱敏感基材表面[1,2]，然而，這些基材易燃。因此，研究阻燃型UV固化涂料尤為重要。

目前對UV 固化涂料阻燃改性的方式很多，主要分為鹵系阻燃和無鹵系阻燃2 類。鹵系阻燃劑雖然價格低廉，與基體樹脂的相容性好，但其在燃燒過程中會產(chǎn)生大量的毒煙和含鹵氣體[3]。隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，無鹵系阻燃劑呈持續(xù)穩(wěn)定增長的發(fā)展態(tài)勢。其中，磷系阻燃劑以優(yōu)異的阻燃性能和低煙等優(yōu)點(diǎn)成為主要的研究方向[4,5]。隨著對有機(jī)磷系阻燃劑的深入研究發(fā)現(xiàn)，按照增大添加量來提升阻燃性能這種傳統(tǒng)方法，會導(dǎo)致涂層透明度、力學(xué)性能和加工性能的下降[6,7]。

為了降低磷系阻燃劑的加入對涂層其它性能的影響，可以利用磷-氮協(xié)同阻燃體系來彌補(bǔ)單一含磷阻燃劑帶來的不足，這種體系可已經(jīng)廣泛應(yīng)用于聚酰胺6 和聚氨酯等聚合物及環(huán)氧樹脂涂料體系的阻燃[8～10]，但在UV 光固化涂料中的應(yīng)用卻鮮有報道。例如，Hu 等[11]合成了一種含磷-氮的UV 阻燃樹脂（BHAAPE），用于改善環(huán)氧丙烯酸酯（EA）的可燃性。Guo 等[12]利用分別含有磷和氮的丙烯酸低聚物及多官硫醇為原料制備了UV 涂料，通過巰基-烯點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)在木板上固化成涂層，發(fā)現(xiàn)磷-氮的比例為1:2 時，涂層的阻燃性能達(dá)到最優(yōu)。但由于磷、氮元素不是存在于同一個分子結(jié)構(gòu)中，這必然會影響磷-氮協(xié)同阻燃作用的發(fā)揮。

以制備高性能的光固化阻燃樹脂為目標(biāo)，如Fig.1 所示，本文首先利用三（2-羥乙基）異氰尿酸酯（THEIC）、衣康酸酐（ITA）和9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物（DOPO）進(jìn)行“一鍋法”反應(yīng)得到中間體，再與甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）進(jìn)行開環(huán)反應(yīng)得到UV 光固化磷-氮阻燃樹脂（TIDG）。其中，DOPO 作為磷系阻燃劑的代表，具有低煙、低毒且與基體樹脂相容性好等優(yōu)勢，THEIC 具有含氮量高和熱穩(wěn)定性良好的三嗪環(huán)結(jié)構(gòu)，這種組合不僅能充分發(fā)揮磷-氮協(xié)同阻燃作用，還可以提升涂層的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。為了驗(yàn)證此設(shè)想，將TIDG與聚氨酯丙烯酸酯（PUA）、光引發(fā)劑2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮（1173）和活性稀釋劑三羥甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA）混合均勻后，經(jīng)UV 光固化制備得到含磷-氮阻燃元素的PUA 涂層，對涂層的力學(xué)性能、加工性能、熱穩(wěn)定性和燃燒行為進(jìn)行表征，并對TIDG 的阻燃機(jī)理進(jìn)行了研究。

Fig.1 Synthesis schematic of TIDG

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

THEIC，GMA，DOPO，1173，TMPTA：分析純，均購于上海阿拉丁生化有限公司；ITA、對羥基苯加酚（MEHQ）、四丁基溴化銨（TBAB）：分析純，均購于上海麥克寧生化有限公司; N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、無水乙醚：均購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司且均為分析純；LU5202 型聚氨酯丙烯酸酯（PUA）:工業(yè)級，江蘇利田科技股份有限公司。以上所有試劑使用前均未做進(jìn)一步提純。

1.2 合成過程

1.2.1 中間體TID 的合成：將THEIC（26.1 g, 0.1 mol），MEHQ（59.8 mg, 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%）和DMF（30 mL）加入到200 mL 燒瓶中充分溶解，然后加入ITA（33.7 g, 0.3 mol, 1.0 g/mL 的DMF 溶液），升溫到95 ℃反應(yīng)4 h。然后向反應(yīng)液中緩慢滴加DOPO（64.8 g, 0.3 mol, 1.5 g/mL 的DMF 溶液），0.5 h 后滴加完畢，繼續(xù)保溫反應(yīng)8 h，待冷卻至室溫，在沸水中沉淀洗滌數(shù)次，最后放入50 ℃的真空干燥箱中干燥12 h 得到中間體TID（110.9 g, 89%）。

1.2.2 阻燃樹脂TIDG 的合成：將TID（124.7 g, 0.1 mol），MEHQ（167 mg,質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%），TBAB（1.67 g,質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%）和30 mL DMF 加入到200 mL 配有冷凝管的三口燒瓶中，然后加入GMA（42.3 g, 0.3 mol,1.0 g/mL 的DMF 溶液），在115 ℃反應(yīng)至酸值不變時結(jié)束反應(yīng)。旋蒸除去溶劑后，將產(chǎn)物在50 ℃真空干燥至質(zhì)量恒定，得到淡黃色透明黏稠液體TIDG（153.6 g, 92%）。

1.3 PUA/TIDG 涂層及樣條的制備

將PUA 樹脂、活性稀釋劑TMPTA、阻燃樹脂TIDG 和光引發(fā)劑1173 在高速分散機(jī)中以轉(zhuǎn)速為2000 r/min 分散3 min 得到均勻透明的涂料，涂料配方如Tab.1 所示。

在常溫用60 μm的線棒將Tab.1 中6 種配方的涂料均勻涂在打磨平滑的桐木板和玻璃板上，光固化后得到厚度約30 μm 的涂層。其中，木板上的涂層用于測試鉛筆硬度、附著力和沖擊強(qiáng)度；玻璃板上的涂層用于熱性能測試。此外，將上述涂料倒入四氟乙烯模具中，固化成標(biāo)準(zhǔn)啞鈴型狀樣條（30 mm× 4 mm × 1 mm）用于固化膜力學(xué)性能測試。為了確保完全固化，在保持UV 燈（1 kW）與涂料之間的距離約25 cm 的情況下，將涂層和樣條分別固化20 s 和60 s（波長250～410 nm，能量密度分別為529 mJ/cm2和1546 mJ/cm2）。

Tab. 1 Formula of coatings

Tab. 2 Cone calorimetric test data of PUA, PUA/40% TIDG and TIDG coatings

1.4 測試及表征

1.4.1 紅外分析：采用美國賽默飛世爾科技公司有限公司的NicoletiS50 型傅里葉變換紅外光譜儀對中間體和產(chǎn)物進(jìn)行紅外分析。

將涂料樣品涂于KBr 鹽片上，設(shè)定紫外光點(diǎn)光源與鹽片之間的距離為10 cm。采用Nicolet 6700 型全反射傅里葉變換紅外光譜儀對樣品以16 Hz 的頻率進(jìn)行連續(xù)掃描，輻照時間為600 s，監(jiān)測810 cm-1附近峰強(qiáng)度的變化并計算涂層的雙鍵轉(zhuǎn)化率[13]。

1.4.2 核磁分析：采用瑞士布魯克公司的AVANCEⅢNMR 400 MHz 核磁共振儀對產(chǎn)物進(jìn)行核磁共振氫譜分析，溶劑為氘代二甲亞砜。

1.4.3 黏度測試：采用美國TA 儀器公司的Discovery DHR-2 旋轉(zhuǎn)流變儀測定涂料的黏度，測試溫度為25 ℃。

1.4.4 力學(xué)性能測試：采用廣州德光無損檢測儀器公司的ELcometer456 膜厚儀按照GB/T 13452.2-2008測定涂層的厚度。采用上海天辰現(xiàn)代環(huán)境技術(shù)有限公司的PPH-750 鉛筆硬度儀按照GB/T 6739-2006測定涂層的鉛筆硬度。采用上海普申化工機(jī)械有限公司的HGQ 型漆膜劃格器按照GB/T 9268-1998測定涂層的附著力。采用廣州標(biāo)格達(dá)精密儀器有限公司的BGD304 漆膜沖擊器按照GB/T 1732-1993測定涂層的抗沖擊性。采用濟(jì)南鑫光試驗(yàn)制造有限公司的WDW-5A 電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸測試，拉伸速率為10 mm/min。

1.4.5 熱穩(wěn)定性分析：采用瑞士梅特勒-托力多公司的TGA/1100SF 型熱失重分析儀測定涂層的熱穩(wěn)定性。氮?dú)夥諊郎厮俾蕿?0 ℃/min，測試溫度25～600 ℃。

1.4.6 燃燒行為分析：采用蘇州陽屹沃爾奇檢測技術(shù)有限公司的6810 型號錐形量熱儀（CONE）測定涂層的燃燒行為。測試功率為35 kW/m2，涂層尺寸為100 mm × 100 mm × 3 mm 。

1.4.7 炭層分析：采用日本日立株式會社的S-4800型號掃描電子顯微鏡觀察涂層燃燒后的炭層形貌。采用英國雷尼紹貿(mào)易有限公司的inVia 型號顯微共聚焦拉曼光譜儀表征涂層燃燒后炭層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 中間體TID 和TIDG 的結(jié)構(gòu)表征

磷-氮阻燃樹脂TIDG 的合成路線如Fig.1 所示，首先對中間體TID 和最終產(chǎn)物TIDG 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。Fig.2（a）是TID 和TIDG 的紅外譜圖，～3477 cm-1為TID 中羧基的特 征吸收峰，918 cm-1，1115 cm-1和1229 cm-1出現(xiàn)了來自于DOPO 的P—O—Ph, P—Ph和P=O 的特征吸收峰；810 cm-1和1630 cm-1出現(xiàn)了TIDG 中的甲基丙烯酸酯不飽和雙鍵峰，且910 cm-1左右的環(huán)氧基團(tuán)特征吸收峰消失，并在～3400 cm-1出現(xiàn)了環(huán)氧基團(tuán)開環(huán)生成羥基的特征吸收峰。Fig.2 (b)為TIDG 的核磁共振氫譜圖，δ3.44～3.89 為與酯基相連的亞甲基的質(zhì)子信號峰，δ4.69～4.80 為環(huán)氧基團(tuán)開環(huán)生成的羥基的質(zhì)子信號峰，δ5.03～6.10 之間為甲基丙烯酸縮水甘油酯上不飽和雙鍵的質(zhì)子信號峰，δ7.19～8.31 為DOPO 上苯環(huán)的質(zhì)子信號峰，且各積分面積比值與理論比值一致，證明了TIDG 成功的合成。

Fig. 2 (a)FT-IR spectra of TID and TIDG; (b)1H-NMR spectrum of TIDG

2.2 PUA/TIDG 涂層的阻燃性能

通過錐形量熱儀來測試最接近真實(shí)火災(zāi)情況下涂層的燃燒特性，得到點(diǎn)燃時間（TTI）、總熱釋放量（THR）、總煙釋放量（TSR）、熱釋放速率峰值（pk-HRR）、CO2平均釋放量（av-CO2）、CO 平均釋放量（av-CO）和平均有效燃燒熱（av-EHC）等有效參數(shù)，F(xiàn)ig.3 為PUA，PUA/40%TIDG 和TIDG 涂層的CONE測試結(jié)果，相應(yīng)數(shù)據(jù)總結(jié)在Tab.2 中。

2.2.1 釋熱特性和生煙特性：熱釋放速率（HRR）通常是評價火災(zāi)強(qiáng)度的一個重要性能參數(shù)，同時也反映了火焰蔓延速度，其值越大，表明涂層表面的熱量越高，火災(zāi)危險性也越大。Fig.3（a）和Fig.3（b）分別為涂層的熱釋放速率曲線和總熱釋放量曲線，TIDG 的加入能明顯降低涂層的熱釋放速率和總熱釋放量，說明TIDG 能有效降低涂層的表面熱量，減緩火焰?zhèn)鞑ニ俣取腇ig.3（c）總煙釋放量來看，PUA/40% TIDG 涂層總的煙釋放量較純PUA 涂層有明顯增大，但av-EHC 卻顯著降低，這可能是由于氣體釋放量的增加稀釋了局部氧氣濃度，從而有利于涂層的阻燃[14]。Fig.3（d）為CO 釋放速率曲線，由于PUA/40% TIDG 涂層不完全燃燒造成的CO 量比純PUA 的要高，這與總煙釋放量趨勢一致，進(jìn)一步證明了TIDG 在燃燒過程中產(chǎn)生了氣相阻燃作用。此外，Tab.2 的數(shù)據(jù)表明，PUA/TIDG 涂層的TTI 縮短，這是由于TIDG 的加入稍微降低了PUA/TIDG 涂層的初始分解溫度，與TGA 分析結(jié)果一致。

Tab. 3 Properties of cured PUA/TIDG coatings and films

Fig. 3 HRR (a), THR (b), TSR (c) and CO P(d) curves of PUA, PUA/40% TIDG and TIDG coatings obtained from cone calorimetry

Fig. 4 SEM images of inner-side (a:400×) and outer-side (b: 4000×); digital photos (c) of coatings after cone calorimeter test

Fig. 5 Raman spectra of char after cone calorimeter test of PUA/TIDG coating

2.2.2 炭層形貌分析：為了進(jìn)一步探究TIDG 的阻燃機(jī)理，對PUA/TIDG 涂層燃燒后的殘?zhí)啃蚊策M(jìn)行了分析。Fig.4（a）和Fig.4（b）分別是PUA/TIDG 涂層錐形量熱測試后經(jīng)放大400 倍和4000 倍的內(nèi)部和外部掃描電鏡殘?zhí)繄D，從圖中可以看出，PUA 涂層燃燒后的內(nèi)部炭層比較細(xì)碎，相互之間無緊密聯(lián)結(jié)，外部炭層存在空洞，因此難以阻止熱量傳遞和氧氣的進(jìn)入；而隨著TIDG 含量的增加，內(nèi)部逐漸形成光滑、結(jié)構(gòu)規(guī)整的封閉炭層，外部炭層呈現(xiàn)蜂窩狀結(jié)構(gòu)，且炭層更加連續(xù)致密。Fig.4（c）為涂層經(jīng)錐形量熱測試后殘?zhí)康臄?shù)碼照片，純PUA 涂層幾乎完全燃燒，而PUA/40% TIDG 和TIDG 涂層測試后的殘?zhí)苛渴Ｓ噍^多，證實(shí)了TIDG 的膨脹阻燃效果。以上分析說明，TIDG 發(fā)揮了磷-氮協(xié)同阻燃作用，所形成的膨脹且連續(xù)致密的炭層能有效隔絕內(nèi)部環(huán)境與外界的熱量交換，不僅阻止了涂層進(jìn)一步降解，而且也減緩了可燃?xì)怏w向外部的運(yùn)動，達(dá)到阻燃的目的。

拉曼光譜在1350 cm-1（D 峰）和1580 cm-1（G 峰）附近會出現(xiàn)2 個特征峰，分別代表無序石墨碳結(jié)構(gòu)和有序石墨碳結(jié)構(gòu)，根據(jù)D 峰和G 峰的積分強(qiáng)度比（ID/IG）可以表示炭層的石墨化程度，ID/IG值越低，石墨化程度越高[15]。為了進(jìn)一步分析TIDG 的成炭作用，通過拉曼光譜對PUA/TIDG 涂層燃燒后的炭層進(jìn)行分析，結(jié)果如Fig.5 所示。隨著TIDG 含量的增加，ID/IG值呈現(xiàn)下降的趨勢，從純PUA 的3.6 下降到TIDG 的2.6，這說明TIDG 的加入能提高炭層的石墨化程度，從而增強(qiáng)了凝聚相的阻燃作用。

2.3 PUA/TIDG 復(fù)合樹脂體系的流變性能

為了滿足涂料的施工要求，涂料需要有合適的黏度，黏度過大或過小都會直接影響涂層的表觀形貌和性能。因此，對不同TIDG 添加量下PUA/TIDG復(fù)合樹脂體系的黏度進(jìn)行了表征。如Fig.6 所示，PUA/TIDG 體系的黏度隨著TIDG 添加量的增大而逐步降低，這是由于甲基丙烯酸縮水甘油酯柔性結(jié)構(gòu)的引入使TIDG 具有較低的黏度，考慮到PUA 樹脂體系的高黏度特性，這對光固化涂料體系是十分有益的。

Fig.6 Viscosity curves of PUA/TIDG composite resins with shear rate

2.4 PUA/TIDG 涂層的力學(xué)性能

為探究TIDG 的加入對PUA 涂層基本性能的影響，按1.3 節(jié)的方法和配方將涂料涂在木板和馬口鐵上，其基本性能測試結(jié)果如上Tab.3 所示。相比于純PUA 涂層，PUA/TIDG 涂層的鉛筆硬度均有所提高，這是由于TIDG 含有的剛性DOPO 和三嗪環(huán)結(jié)構(gòu)。此外，純PUA 與木板之間的附著力很差，測試結(jié)束后幾乎是整塊涂層從木板上脫落，相比之下，PUA/TIDG 復(fù)合涂層的附著力顯著提高。一方面可能是由于TIDG 的加入可以增強(qiáng)涂層的內(nèi)聚力；另一方面是由于在PUA 中加入TIDG 能有效降低整個體系的固化收縮率，從而提高了涂層與木板之間的附著力。添加DITG 后涂層的耐沖擊性整體呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢，這是由于TIDG 具有柔性鏈段，再加上涂層與木板之間良好的附著力，使涂層的抗沖擊性能得到明顯改善。

進(jìn)一步通過拉伸試驗(yàn)來表征PUA/TIDG 復(fù)合涂層的力學(xué)性能。Fig.7 是不同TIDG 含量的PUA/TIDG 固化膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，對應(yīng)的拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長率見Tab.3。隨著TIDG 添加量的增加，PUA/TIDG 固化膜的拉伸強(qiáng)度先增大后逐漸下降，但全部都比純PUA 的拉伸強(qiáng)度大，這主要是由于TIDG 含有DOPO 和三嗪環(huán)等結(jié)構(gòu)，使固化膜包含的剛性鏈段比例增大，從而導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度增大。PUA/40% TIDG 的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大，為30.7 MPa。但添加量進(jìn)一步增大時，PUA/TIDG 固化膜的拉伸強(qiáng)度逐漸降低，這可能是由于固化膜交聯(lián)密度的下降，需要進(jìn)一步表征。此外，當(dāng)TIDG 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于80%時，PUA/TIDG 固化膜的斷裂伸長率急劇下降，這也是因?yàn)楹休^多剛性結(jié)構(gòu)的TIDG 的添加降低了固化膜的韌性。

Fig.7 Stress-strain curves of UV cured PUA/TIDG films

Fig. 8 Double bond conversion vs. irradiation time curves of PUA/TIDG coatings

2.5 PUA/TIDG 涂層的光固化動力學(xué)

Fig.8 是PUA/TIDG 涂層的雙鍵轉(zhuǎn)化率隨輻照時間的變化曲線。相比于純PUA 涂層，PUA/TIDG 涂層的固化速度變慢，這是由于TIDG 分子中的甲基丙烯酸縮水甘油酯具有相對較低的聚合反應(yīng)活性。出乎意料的是，經(jīng)過600 s 的輻射固化后，PUA/20% TIDG 和PUA/40% TIDG 涂層比純PUA 涂層具有更高的雙鍵轉(zhuǎn)化率，這可能是由于TIDG 分子具有更高的官能度，也可能是相對較慢的固化速率降低了涂層的內(nèi)應(yīng)力。但是，當(dāng)TIDG 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過60%時，低的聚合反應(yīng)活性、大的位阻及剛性的增加使得PUA/TIDG 涂層的雙鍵轉(zhuǎn)化率大幅降低，造成涂層交聯(lián)密度的下降，由此導(dǎo)致PUA/TIDG 固化膜的拉伸強(qiáng)度在高TIDG 添加量下降低。

2.6 PUA/TIDG 涂層的熱穩(wěn)定性能

采用熱重分析法研究了PUA/TIDG 涂層的熱穩(wěn)定性。Fig.9 是PUA/TIDG 涂層的TG 曲線和DTG 曲線，熱重分析的數(shù)據(jù)列于Tab.4 中。相較于純PUA涂層，PUA/TIDG 涂層的質(zhì)量損失5%時的溫度（T5%）略有下降，這是由于在達(dá)到PUA 熱分解溫度前TIDG 先發(fā)生分解，形成聚磷酸類等物質(zhì)。而質(zhì)量損失50%時的溫度（T50%）和最大失重速率溫度(Tmax)都有所提高，這是由于TIDG 具有熱穩(wěn)定性良好的三嗪環(huán)和苯環(huán)結(jié)構(gòu)；也可能是由于TIDG 分解生成的酸類物質(zhì)，促進(jìn)了涂層形成致密的炭層，從而阻止了涂層進(jìn)一步燃燒。此外，PUA/TIDG 涂層的殘?zhí)苛侩STIDG 添加量的增加而增大，說明TIDG 具有良好的成炭能力。

Tab. 4 TGA data of PUA/TIDG coatings

Fig. 9 (a)TGA and (b) DTG curves of PUA/TIDG coatings

3 結(jié)論

本文制備了一種含磷-氮阻燃丙烯酸樹脂TIDG，用于阻燃聚氨酯丙烯酸酯。TIDG 的加入能降低涂層的固化收縮率，從而使PUA/TIDG 涂層的附著力有較好的提升，從純PUA 的4 級提升到TIDG 的0 級；TIDG 含 有 三 嗪 環(huán) 和DOPO 剛 性 結(jié) 構(gòu)且低于40%TIDG 的加入可以增大涂層的交聯(lián)密度，這些都使得涂層的鉛筆硬度和拉伸強(qiáng)度得到有效提升；TIDG 含有熱穩(wěn)定性良好的三嗪環(huán)和苯環(huán)，從而使PUA/TIDG 涂層具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性；TIDG利用豐富的磷源和氮源發(fā)揮理想的協(xié)同阻燃作用，因此PUA/TIDG 涂層展現(xiàn)了更好的阻燃性能，如相較于純PUA 涂層，PUA/TIDG 涂層的熱釋放速率峰值和總熱釋放量分別降低了35.2%和42.1%；掃描電鏡和拉曼測試結(jié)果分析可得，PUA/TIDG 涂層燃燒后能夠形成膨脹致密的炭層，表明TIDG 中的磷-氮元素能發(fā)揮良好的協(xié)同阻燃作用。