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聚烯烃材料,包括聚乙烯(PE),乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA),乙烯-辛烯共聚物(POE)等具有环保,易加工及化学稳定性等优点,因此它广泛的用于电子电器、包装、汽车、通讯、农业和建筑领域。但聚烯烃材料易燃,限制了材料的广泛应用。膨胀型阻燃剂(IFR)可有效提高聚烯烃的阻燃性能,但IFR是一种多组分阻燃剂,难以均匀分散,相互之间的协同阻燃作用不理想,需要添加更多的阻燃剂以实现材料达到良好的阻燃性能。单分子膨胀阻燃剂将IFR的组分引入到同一分子中,对聚烯烃材料具有更好的阻燃效率。本论文以甲基膦酸和哌嗪为原料,首先合成了中间体二(甲基膦酸)哌嗪,然后与新戊二醇反应制备了甲基膦酸哌嗪新戊二醇酯(PPMPNG)。通过傅里叶红外光谱,核磁共振谱及元素分析测试对该结构进行了表征和确认。通过热重分析(TGA)测试研究了PPMPNG的热降解行为,研究阐明,阻燃剂的初始热分解温度为219.5℃,在700℃时的残炭量为33.7 wt%,阐明PPMPNG具备优越的热稳定性及成炭性能。将PPMPNG添加到低密度聚乙烯(LDPE)中制备阻燃聚乙烯材料,当阻燃剂的添加量仅为23 wt%时,厚度为1.6 mm的样条在垂直燃烧测试时通过了 UL-94 V-0级,极限氧指数(LOI)值为25.6%。根据文献报道,为达到同样的阻燃级别,通常需要添加约30 wt%的阻燃剂,这表明PPMPNG对LDPE材料具有很好的阻燃效率。锥形量热测试(CONE)表明,添加的阻燃剂导致材料的热释放速率(HRR)、总热释放量(THR)等参数显著下降。添加阻燃剂使材料在燃烧过程中形成了膨胀、连续、致密的炭层,在燃烧过程中起到了很好的屏障作用,有效阻隔了燃烧区域与炭层下面材料的热量、可燃性气体的传递。通过热裂解-气相色谱-质谱(Py-GC-MS)测试和分析了阻燃剂及材料的热裂解产物,结果表明阻燃剂在热解过程中产生了含膦氧自由基的化合物,其可以有效捕获聚合过程中聚合物在热解过程中产生的活性自由基,由此抑制了材料的自由基燃烧链反应,并且抑制了燃烧的效果。PPMPNG阻燃剂在气相和凝聚相中均具有阻燃效果,因此在阻燃LDPE材料中具有较高的阻燃效率。将PPMPNG加入乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)中,当阻燃剂添加量为21 wt%时,样条通过了 UL-94 V-0级,LOI值为26.8%,与先前报道的工作相比,PPMPNG对EVA材料表现了更加优异的阻燃效率。CONE测试表明,添加阻燃剂显著降低了 EVA材料的热释放速率及总热释放量等参数。在燃烧过程中,在材料表面形成了膨胀、连续、致密的炭层,其作为良好的屏障并有效的抑制材料的燃烧。热重-红外测试表明,PPMPNG的加入促进了材料的提前降解和炭化。Py-GC-MS测试结果表明,热裂解过程中阻燃剂的裂解产物有效抑制聚合物燃烧,并在气相中发挥阻燃作用。同时,本论文还将PPMPNG用于乙烯-辛烯共聚物(POE)制备阻燃POE材料。当PPMPNG添加量为21 wt%时,阻燃样条通过UL-94 V-0级,LOI值为27.3%,PPMPNG在POE中表现出较优越的阻燃效率。TGA数据的结果表明,添加阻燃剂改善了材料在高温下的热稳定性和成炭含量。与纯POE相比,阻燃POE材料的HRR、PHRR、THR数值显著降低。阻燃剂同时在气相和凝聚相中发挥了阻燃效果,对实现POE材料高效的阻燃性。