在研究开发无卤、低毒、高效阻燃剂的趋势下,多元素协同阻燃已引起研究者们的广泛关注。众所周知,含磷、硅的阻燃剂是公认的绿色阻燃剂,而路易斯酸金属在热氧活化下可以催化聚合物成炭,从而达到阻燃效果。故本文以磷、硅、钛三元素为基础,通过化学合成和复配方法,构筑三种阻燃体系,用以制备多元素协同的阻燃环氧树脂。本文主要研究工作如下:首先,采用NH2-POSS、DOPO和多聚甲醛为原料,通过经典的Kabachnik-Fields反应一步法制备了含磷、硅化合物POSS-bisDOPO,然后将其与钛酸酯TBT复配作为环氧树脂阻燃剂,并进一步构筑了含有磷、硅、钛的多元素阻燃环氧体系。一方面通过NMR、FTIR和MS对POSS-bisDOPO结构进行表征,证明了目标分子的成功合成。另一方面研究阻燃剂对环氧树脂阻燃性能、热性能和机械性能的影响,并初步探讨了其阻燃机理。实验结果表明,燃烧过程和热降解过程中磷硅钛之间具有一定的协同作用。TBT/POSS-bisDOPO复配阻燃剂可以有效提升环氧树脂的阻燃性能,当TBT与POSS-bisDOPO的添加量均为5wt%时,LOI值从26.3%提升到31.0%,UL-94燃烧等级达到V-O级,热释放速率峰值和总热释放量分别降低至28.4 W/g和1.7 kJ/g。TGA实验结果说明TBT/POSS-bisDOPO复配阻燃剂的引入可以增加环氧树脂残炭量,降低基体热分解速率,从而提升环氧树脂的热稳定性。通过对燃烧和热降解残炭的分析,发现TBT/POSS-bisDOPO复配改性的环氧树脂体系的残炭具有一个蜂窝状的内层结构和一个磷、硅聚集的连续致密的外层结构,且主要由芳香结构、Si-O-Si结构和磷氧化合物组成,这种稳定的炭层结构可以作为一种物理保护层附着在基体上,阻隔热氧向基体内部传递,减小材料的烧蚀程度,从而提升环氧树脂的阻燃性能。DMA和三点弯曲实验结果显示,TBT和POSS-bisDOPO的引入没有降低环氧树脂的机械性能。总而言之,TBT/POSS-bisDOPO复配改性环氧树脂,不仅有效提升了环氧树脂的阻燃性能和热稳定性能,还保持了环氧树脂优异的机械性能。其次,以POSS-triOH和钛酸异丙酯为原料,通过“顶点-盖帽”反应将金属钛元素以共价键引入POSS笼型结构中合成金属杂化POSS(Ti-POSS),并与乙醇胺通过酯交换反应合成了氨基修饰的Ti-POSS(POSS-Ti-ETA),以期望提高POSS与环氧基体相容性,采用NMR和FTIR对POSS-Ti-ETA结构进行表征,证明了目标分子的成功合成。然后将其与DOPO复配来改性环氧树脂,构筑了一种含有磷硅钛的多元素阻燃环氧体系。燃烧实验结果表明,这种金属杂化POSS相对于普通同类型POSS具有更好的阻燃效果。金属杂化POSS与DOPO复配来改性环氧时,在燃烧和热降解过程中磷硅钛之间具有一定的协同作用,可以更好的提升环氧树脂的阻燃性能。当POSS-Ti-ETA与DOPO的添加量均为5 wt%时,LOI值从25.2%提升到32.7%,UL-94燃烧等级达到V-O级。TGA结果表明,POSS-Ti-ETA/DOPO复配改性环氧树脂可以显著提升残炭量,降低基体热分解速率,从而提升环氧树脂的热稳定性。通过对环氧树脂燃烧和热降解残炭的分析,发现POSS-Ti-ETA/DOPO复配改性的环氧树脂的残炭具有一个蜂窝状的内层结构和一个磷、硅聚集的连续致密的外层,且主要由芳香结构、Si-O-Si结构和磷氧化合物组成,这种稳定的炭层结构可以作为一种物理保护层附着在基体上,阻隔热氧向基体内部传递,减少材料的烧蚀,从而提升环氧树脂的阻燃性能。DMA、三点弯曲实验和冲击试验结果显示,POSS-Ti-ETA/DOPO复配可以增强环氧树脂机械性能。最后,我们以NH2-POSS、钛酸异丙酯、DOPO以及多聚甲醛为原料,先通过“顶点打开”和“顶点盖帽”反应合成了金属杂化的NH2-POSS-Ti,然后通过经典的Kabachnik-Fields反应一步法制备了同时含有磷、硅、钛的金属杂化含磷阻燃剂Ti-POSS-bisDOPO,以期望用于环氧树脂,构筑另一种含有磷硅钛的多元素阻燃环氧体系。通过NMR、FTIR和MS对化合物结构进行表征,证明成功合成了目标阻燃剂分子。