紫外光固化阻燃涂层的制备及其阻燃天然纤维复合材料的研究

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天然纤维复合材料因具有密度低、强度高、成本低、可持续性好以及可回收等优点,可广泛应用于汽车工业、航空航天等领域。本文针对这些领域对于纤维复合材料阻燃性能的要求,在纤维复合材料表面通过紫外光(UV)固化技术分别制备了含P、N以及P、N、S的阻燃涂层。该涂层附着力高、柔韧性好、反应速度快、不产生有害气体,符合绿色阻燃的发展要求。本文通过对复合材料表面UV固化阻燃涂层的固化过程、阻燃性能进行分析,阐述了UV固化涂层的固化及阻燃机理。本论文主要内容分为以下两个部分:(1)选用双酚A环氧丙烯酸酯(BAEA)、聚氨酯丙烯酸酯(PUA)和2-羟乙基甲基丙烯酸磷酸酯(PM-2)制备阻燃涂层。其中PM-2与PUA的引入提高了涂层的附着力与阻燃性能。选用异丙基硫杂蒽酮(ITX)和三乙醇胺(TEOA)作为光引发助剂与光引发剂苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦(BAPO)共同组成光引发体系,从而抑制了氧阻聚效应,提升了固化过程中的双键转化率。结果表明,与未涂覆涂层的复合材料相比,涂层复合材料的峰值放热速率(PHRR)和烟雾产生量(TSP)明显降低。极限氧指数(LOI)可达26.1%,水平燃烧测试中,PM-2含量越高,燃烧速率越慢,复合材料表面产生的连续致密的炭层,这表明涂层能够有效阻止火焰蔓延。另外,经涂覆的复合材料的抗弯强度与未涂覆的样品相比增加了90%。随着配方中PM-2含量的升高,涂层的阻燃性能提升,但涂层的双键转化率有所下降。(2)为了提升涂层固化后的双键转化率,减少氧气在光固化过程中的阻聚效应,本文第二部分通过巯基-烯点击反应制备了新型的复合材料阻燃涂层。通过改变季戊四醇四(3-巯基丙酸)酯(PETMP)、三聚氰酸三烯丙酯(TAC)和含磷阻燃剂PM-2的相对摩尔含量,在复合材料表面制备了含有N/P/S的UV固化阻燃涂层。通过表征涂层的阻燃性能和热降解行为,来探究涂层中N、P、S元素的协同作用。结果表明,样品中N和P元素摩尔比为3:2,巯基和双键比为4:6时(N和P元素都由含双键的预聚物提供),涂层复合材料S4(N3P2)6具有最大的LOI(可达28.6%)和最低的PHRR。另外,热重分析测试表明,磷酸酯基团可以在低温下分解,促进表面炭层形成,从而降低热解速率,延迟复合材料分解过程。扫描电镜(SEM)测试表明,燃烧后残炭表面会形成一种蜂窝状多孔炭层,这表明燃烧过中,N、S等元素可以产生不可燃气体(CO2、SO2),稀释燃烧过程中产生的可燃气体。此外,涂层的双键转化率可达90%以上,体现出良好的成膜性能。涂层透明度大约为90%,预聚物含量的相对变化不会影响其透明度。综上所述,此涂层具有明显的实用价值,能够在工业生产中有效的预防火灾产生。
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