论文部分内容阅读
α-磷酸锆(α-ZrP)是一类具有固体酸催化作用的层状化合物。本文作者结合国内外文献调研和本课题组的有关工作基础,在综述聚合物/无机物纳米复合材料的最新研究进展的基础上,将纳米复合与凝聚相的催化成炭结合,发展聚合物材料的新型阻燃技术。本文从制备具有片层阻隔作用和固体酸催化活性的α-ZrP出发,制备了低密度聚乙烯/乙烯-醋酸乙烯酯(LDPE/EVA)、聚丙烯(PP)、高抗冲聚苯乙烯(HIPS)、ABS典型聚合物/磷酸锆(α-ZrP)纳米复合材料,研究其微观结构与热稳定性、燃烧性能等之间的关系;结合热重分析和锥形量热实验,研究聚合物纳米复合材料的热解和燃烧行为,分析α-ZrP与基体中无卤阻燃剂的阻燃协效作用机理,探索制备新型阻燃材料的途径。主要研究工作如下:1.以水热法合成层状化合物α-ZrP,以乙胺为胶体化试剂,采用“层离—插层法”获得了C16/α-ZrP插层化合物(OZrP),为制备聚合物/α-ZrP纳米复合材料提供了优良的前驱物。以溶液法制备二茂铁(Fc)插层的α-ZrP(Fc-ZrP),并尝试制备聚合物/Fc-ZrP复合材料。OZrP和Fc-ZrP的结构和形貌用X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)表征,采用热重分析(TGA)研究了其热性能。2.采用熔融共混法制备了LDPE/EVA/(ATH,OZrP)纳米复合材料。对纳米复合材料进行微观结构和形貌表征及一系列燃烧性能测试,发现LDPE/EVA/(ATH,OZrP)纳米复合材料的阻燃性能比LDPE/EVA和LDPE/EVA/ATH阻燃体系有明显提高。在燃烧过程中,OZrP的加入可以抑制基体的熔融滴落现象,并形成稳定的炭层,而只添加ATH无OZrP的阻燃体系仍存在严重的滴落现象,无稳定炭层形成。综合热释放速率峰值与点燃时间TTI、火灾性能指数FPI和火灾发展指数FGI评价材料的火灾危险性,LDPE/EVA/(ATH,OZrP)纳米复合材料的阻燃性能比聚合物纯样明显提高,火灾危险性降低。3.采用熔融共混法制备PP/(IFR,OZrP)纳米复合材料,热重分析和SEM研究表明,添加OZrP的PP/IFR阻燃体系成炭量有所增加,燃烧后的残渣中,炭层结构更加稳固、致密。当PP基体中含有25%IFR时,复合材料的氧指数为33,垂直燃烧测试为UL-94 V-1级别,当保持添加剂总量不变,添加3%OZrP到PP/IFR体系中,氧指数增加到37,垂直燃烧达到V-0级别。IFR与OZrP间存在协效作用,合适的添加比例有利于提高复合材料的阻燃性能。4.采用熔融共混法制备了HIPS/OZrP纳米复合材料,随着OZrP在HIPS基体中含量的增加,纳米复合材料的成炭量也逐渐增大,当复合材料中含1%OZrP时,其最大热释放速率峰值比纯样降低11%。对炭化产物的形貌和组成研究分析表明,存在石墨片和碳纳米管,这种炭层结构有利于提高材料阻燃性能。同时采用熔融共混法制备了HIPS/Fc-ZrP复合材料,Fc-ZrP由于层间距小,很难与HIPS形成具有良好插层或层离结构的纳米复合材料。燃烧后的炭化产物研究表明,Fc-ZrP对HIPS基体在燃烧过程中存在催化成炭,有助于形成石墨化结构。5.采用熔融共混法制备了ABS/OZrP纳米复合材料,热稳定性研究表明,ABS/OZrP纳米复合材料的热稳定性比纯ABS树脂稍有提高,成炭量随着OZrP在基体树脂中的含量增加而增大。ABS/OZrP纳米复合材料炭化研究表明,在360℃的温度下炭层中存在晶化程度较高的碳材料生成:存在缺陷的多壁碳纳米管,当温度提高到500～800℃,会有更高晶化程度的多种结构与形貌的碳生成。