羟基锡酸镍的制备及其阻燃环氧树脂的研究

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环氧树脂(EP)因具有优异的加工性能、耐化学性能和电绝缘性能,被广泛应用于土木建筑、航天航空和汽车机械等领域。但是由于材料本身具有火灾安全性较低的缺点,在很大程度上限制了其在各个领域的应用;并且一旦发生燃烧,材料本身会释放出大量的污染性气体与烟尘,对人们的身体健康造成了较高的威胁。因此,为了降低材料的火灾危险程度,阻燃EP研究刻不容缓。本文制备了羟基锡酸镍(NiSn(OH)6,NHS)阻燃剂,并将其应用到EP之中起到了降低EP基体火灾危险性的作用。采用极限氧指数仪(LOI)、锥形量热仪(Cone)与拉伸试验机研究了NHS阻燃剂对EP基体的阻燃性能与力学性能的影响;通过差热热重分析(TGA)、Cone以及X射线光电子能谱(XPS)等手段分析研究了阻燃EP样品在燃烧过程中的阻燃机理,具体内容如下:第一部分,采用共沉淀的方法,通过调控实验过程中的反应物浓度、摩尔比、氨水添加量、表面活性剂和反应温度等因素成功制备出最佳形貌的无定型、球形和立方体NiSn(OH)6阻燃剂,分别记为A-NHS、S-NHS、C-NHS。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、TGA以及红外光谱仪(FTIR)对材料进行了表征。结果表明:制备所得三种形貌的产物均为较为纯净的NiSn(OH)6,A-NHS为粒度在150 nm左右的粒子,团聚现象较为严重;S-NHS为粒度在120 nm左右且分散性较为良好的微球;C-NHS为粒度在130 nm左右的立方体,分散性良好。此外三种样品的初始分解温度(T5%)均高于EP样品的加工所需温度,满足加工的必备条件。第二部分,NHS阻燃EP的研究。实验通过LOI、Cone、TGA、拉伸试验机等测试对EP/NHS样品的阻燃性能和力学性能进行了探究,结果表明:随着不同比例的A-NHS、S-NHS和C-NHS样品加入到EP基体之中,阻燃EP样品的LOI提升了3.4-8.2个单位,并且EP/S-NHS的力学性能要明显优于EP/A-NHS和EP/C-NHS样品。其中EP/5S-NHS的LOI值与纯EP相比提升了6.8个单位,而拉伸强度却仅降低了4.8%。综上所述当单独添加5份的S-NHS阻燃剂时EP样品具有最佳的综合性能;Cone结果表明NHS的加入可以有效地降低材料的热释放速率和烟密度,但是所有NHS阻燃EP样品在垂直燃烧(UL-94)测试中均无级别。第三部分,NHS协效聚磷酸铵(APP)阻燃EP的研究。为了使阻燃EP样品通过UL-94垂直燃烧测试中的V-0级,将APP与NHS协效作用于EP当中,结果表明:EP/6APP可通过UL-94测试的V-1级,当分别用0.1份和0.5份NHS替代APP时,除EP/5.5APP/0.5A-NHS外,所有EP/5.9APP/0.1NHS和EP/5.9APP/0.5NHS样品均可通过UL-94的V-0等级;此外APP与NHS在EP基体之中存在协同效应,可以催化EP基体快速成炭,有效的降低了材料的热释放速率、烟释放速率、CO释放量等。并且在燃烧的过程中S-NHS可以催化APP降解生成丰富且稳定的C-N、C-N-P和O=P-O-C结构,增加了残炭的稳定性;同时生成的SnO、SnO2、Ni2O3和NiO可以覆盖在基体表面起到物理屏障的作用。
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