高阻燃可陶瓷化PE复合材料的制备及性能研究

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聚乙烯材料(PE)由于其来源广、产量大、易加工、价格低廉、具有相对较高的力学性能和耐溶剂性能,而被人们广泛使用;但聚乙烯材料极易燃烧,并且燃烧过程中会放出大量的热,大大增加了发生火灾的可能性和危险性。本文通过在PE中加入适当的助熔剂、成瓷填料及膨胀型阻燃剂,制备了具有高阻燃性能的可陶瓷化PE复合材料。既具有PE材料在室温下的大部分性能,又具有陶瓷材料优异的耐高温性能。在可陶瓷化PE复合材料的制备中,本文首先对比了玻璃粉GP45、GP50及硼酸锌三种助熔剂对PE复合材料高温烧蚀后性能的影响,通过性能分析,确定了GP50作为PE复合材料的助熔剂;随后研究了GP50与成瓷填料云母粉(MP)的配比及添加量对PE复合材料高温烧蚀后性能的影响。我们发现,当GP50/MP比例为1:1时,复合材料高温烧蚀后性能最佳。随着添加量增多,复合材料烧蚀后性能略有提高,但常温下力学性能下降。采用红外光谱(FTIR)、偏光显微镜(POM)、X射线衍射分析(XRD)及扫描电子显微镜(SEM)等方法对陶瓷化过程及机理进行分析,发现随温度的升高,PE复合材料内部孔洞变小,结构致密,在800℃及以上会发生共晶反应,即发生了陶瓷化过程。为了有效改善PE材料的阻燃性能,在PE中加入膨胀型阻燃剂(IFR),并对IFR中不同组分进行复配,通过垂直燃烧试验(UL-94)及极限氧指数(LOI)测试其不同配比的阻燃效果,最终得到阻燃性能最优的两种配方,IFR-1-TMG和IFR-2-TMG。在PE中加入35wt%的IFR-1-TMG,UL-94等级为V-0,LOI为29.4%,在PE中加入35 wt%的IFR-2-TMG,UL-94等级为V-0,LOI为28.8%。通过锥形量热仪分析及热重分析(TG),结果表明,IFR的加入能有效抑制PE的燃烧,降低热释放速率的峰值(PHRR)和总放热量(THR),同时提高材料的热稳定性。用扫描电子显微镜(SEM)对燃烧后残余物的表面形貌进行分析,发现在材料表面形成了一层致密的炭层,这是PE阻燃性能提高的主要原因。探究了IFR与GP50/MP1:1的配比对PE复合材料性能的影响,当不加IFR时,PE复合材料无阻燃效果,燃烧过程有熔滴现象,添加25 wt%IFR-1-TMG后,UL-94等级达到V-0,LOI为27.2%,并且无熔滴现象。TG、XRD及SEM的分析结果表明,添加IFR后由于在高温时复合材料表面形成了致密的炭层,有利于保持材料的形状稳定,同时提高了阻燃性能。但由于阻燃剂阻碍了高温下玻璃粉的流动,抑制了共晶反应的进行,因此高温下复合材料的弯曲强度降低,表明阻燃剂的加入对陶瓷化过程有一定的阻碍作用。
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