可膨胀石墨的膨化及胶囊化处理对聚乙烯和聚氨酯泡沫阻燃性能的影响

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聚乙烯(PE)及聚氨酯泡沫(PU)的产量大且应用范围广。然而,PE的长链在燃烧过程中几乎全部裂解成可燃性气体,无残余炭渣;PU在燃烧时释放对人体及环境有毒有害的物质,二者的易燃性带来的火灾风险已引起了各界广泛关注。以提高PE及PU的阻燃性能为目的,本文制备了可膨胀石墨(EG)、不同膨化温度下的膨胀石墨(EBG)、三聚氰胺改性脲醛树脂(MUF)胶囊化EG(EG@MUF),并将其应用于线性低密度聚乙烯(LLDPE)及PU中。通过扫描电子显微镜-能谱仪(SEM-EDS)、X射线粉末衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)及热重分析(TGA)等表征了阻燃剂的形貌、化学结构及其热稳定性。通过极限氧指数(LOI)、垂直燃烧等级、锥形量热实验(CCT)以及热重/微分热重(TG/DTG)、拉伸仪、导热系数仪等手段,考察了复合材料的综合性能。具体研究内容与结果如下。1.通过化学氧化插层与高温膨胀法,制备了EG及300℃、600℃、900℃三个温度下的膨胀产物EBG300、EBG600、EBG900。膨胀容积(EV)测试结果表明,随膨化温度升高,EBG膨胀形成的孔隙结构越加饱满,EV越大。EBG300、EBG600、EBG900的EV分别为30 mL/g、248 mL/g、405mL/g。并且,膨化温度越高,EBG的高温热稳定性越强。EG、EBG300、EBG600、EBG900仍然保留了石墨的层状结构,EBG中石墨晶体结构无序性逐渐增强。2.将EBG300、EBG600、EBG900、以及各EBG与APP的混合物添加于LLDPE中,考察了其对LLDPE复合材料的阻燃性能的影响。研究结果表明,改性剂的添加量为30wt%时,复合材料的高温热稳定性以及残炭量均有明显提高。复合材料的总热释放(THR)、热释放速率(HRR)、生烟速率(SPR)、CO、CO2曲线的峰值均有明显降低,有效耐火指数增大了49倍,火灾蔓延速度指数降低84%以上。复合材料的LOI值均达到29.8%以上。尤其是,对于EBG与APP协同体系,除70LLDPE/20EBG900/10APP有滴落现象无等级之外,其余协同体系的UL-94等级均达到了V-0级。LLDPE/30EBG900导热性能最好,较纯LLDPE提高近7倍。3.通过预聚合反应及原位聚合反应,以50目原料石墨氧化插层得到的EG为囊芯、MUF为囊壁,并控制EG与MUF的进料比分别为3/1、5/1、7/1、9/1,成功制备了EG@MUF3/1、EG@MUF5/1、EG@MUF7/1、EG@MUF9/1四种不同壳层厚度的EG@MUF胶囊颗粒。结果表明,MUF的包覆量随着初始进料比中MUF组分的下降而降低。EG与MUF的进料比越大,包覆的壳层厚度越小,EG的包封效果越差,在9/1时,已无法形成完整一体的壳层。当其进料比为5/1与7/1时,EG@MUF的EV达到最大,较EG的405 mL/g分别增长了21.7%、18.5%。4.当添加剂的总量控制为13 wt%时,EG及EG@MUF的添加使PU复合材料的热稳定性得到明显改善,阻燃剂的热稳定性很大程度上决定了复合材料的热稳定性。尽管EG及EG@MUF的加入也同时导致了复合材料的隔热性能与压缩强度的降低,但EG@MUF的影响明显低于未包覆的EG。PU/EG@MUF复合材料的导热性能、压缩强度与EG@MUF颗粒的壳层厚度密切相关。5.材料的阻燃性能测试表明,相比于EG,EG@MUF对PU显示出更好的阻燃性能。添加13 wt%的EG@MUF7/1颗粒可以使PU的LOI值从18.6%增加到28.9%,并且复合材料在UL-94等级中通过了V-0级。CCT结果表明,加入EG及不同壳层厚度EG@MUF后,复合材料的THR、HRR、SPR、CO、CO2曲线的峰值均大幅度降低。其中,87PU/13EG@MUF7/1、87PU/13EG@MUF5/1的阻燃效果最佳。相比于纯PU,其PHRR分别下降了65.64%、58.66%,SPR分别下降了75.42%、72.03%。
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