功能化水滑石-氧化石墨烯杂化材料的制备及其阻燃TPU的研究

来源 :青岛科技大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:z11272037
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水滑石(LDHs)作为传统意义上的无机添加型阻燃剂,凭借其独特的化学结构及层板和层间离子的可调控性,被广泛应用于阻燃聚合物领域。本文通过改性Hummers法制备了氧化石墨烯(GO),采用共沉淀法合成了NO3--LDHs-GO杂化材料,通过离子交换分别得到Mo7O246--LDHs-GO、SA(NH2SO3-)-LDHs-GO和SDS(C12H25SO3-)-LDHs-GO杂化材料,还通过一步法制备了AY36(C18H14N3SO3-)-LDHs-GO杂化材料,利用X-射线衍射(XRD)、傅里叶转换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)等手段对其结构和形貌进行表征;分别以它们为阻燃剂,制备了一系列热塑性聚氨酯(TPU)复合材料,使用SEM、锥形量热仪(CCT)、烟密度测试仪(SDT)、热失重-傅里叶转换红外光谱联用仪(TG-FTIR)等手段研究复合材料的分散、阻燃、抑烟及热稳定性,考察了燃烧过程中的烟气产生规律及炭层形成规律。通过实验和分析得到以下结论:(1)杂化材料的分析结果表明,通过改性Hummers法成功制备出了片层状的GO,通过共沉淀法得到了晶型良好的NO3--LDHs,经离子交换后分别得到了Mo7O246--LDHs、SA-LDHs和SDS-LDHs及相应的杂化材料,采用一步法也成功将C18H14N3SO3-插层至水滑石层间而得到AY36-LDHs及AY36-LDHs-5%GO杂化材料。(2)复合材料的断面SEM显示,单纯的插层改性可在一定程度上改善水滑石的分散性;杂化材料能够完美嵌入聚合物中,分散性更好,这证实将LDHs负载在GO纳米片上,能够进一步改善与聚合物基体的相容性。(3)Mo7O246--LDHs及Mo7O246--LDHs-GO杂化材料可以提升TPU复合材料的阻燃抑烟性。随着Mo元素的引入,由于MoO3具有高效抑烟性,能够吸附烟颗粒,使得钼酸根插层系列水滑石都表现出良好的抑烟效果;且随着杂化材料中GO含量的增加,复合材料的热和烟参数呈现降低的趋势。添加20 wt%Mo7O246--LDHs-5%GO的TPU5具有最优的阻燃抑烟效果,其热释放速率峰值pHRR1和pHRR2分别为328.7 kW/m2和340.5 kW/m2,总烟释放量(TSR)由纯TPU的674.2 m2/m2降低至313.8 m2/m2,降低了53.5%。杂化材料中GO的存在,可以与Mo7O246--LDHs之间发挥较为明显的协效阻燃抑烟作用。Mo7O246--LDHs-5%GO杂化材料可以通过提升炭残余量和延缓分解速率来进一步提高TPU的热稳定性。(4)SA-LDHs及SA-LDHs-GO杂化材料也能够一定程度上提升TPU复合材料的阻燃抑烟性,但当杂化材料中GO含量较低时,LDHs与GO之间的协效阻燃作用并不明显。同样随着杂化材料中GO含量的增加,复合材料的阻燃抑烟性逐渐提升,这是因为GO一方面能够隔绝热量传递,吸附产生的烟颗粒及自由基,另一方面能够促使更多的有机结构参与到炭化过程,固定在凝聚相中而不是在气相中燃烧。(5)SDS-LDHs及SDS-LDHs-GO杂化材料也比NO3--LDHs具有更好的阻燃抑烟效率,且在杂化材料中即使GO含量较低时,仍能与SDS-LDHs之间表现出良好的协效阻燃抑烟作用。其中,添加20 wt%SDS-LDHs-5%GO的TPU5具有最优的阻燃性和热稳定性,其pHRR和TSR分别为238.5 kW/m2和354.7 m2/m2,比含相同质量分数SDS-LDHs的TPU2降低了32.1%和19.0%,且形成的炭渣更厚实致密。(6)AY36-LDHs及AY36-LDHs-GO杂化材料也能够提高TPU复合材料的火灾安全性能。与C12H25SO3-类似,C18H14N3SO3-中的SO3-结构能够作为酸源进一步促进成炭,改善炭层质量,且其中的非稠合萘及蒽环结构,在热分解过程中可吸收更多热量。20 wt%AY36-LDHs的总热释放量(THR)为85.6 MJ/m2,较同质量分数的NO3--LDHs降低了12.6%。当加入AY36-LDHs-5%GO后,复合材料的热和烟参数进一步降低,且热稳定性也有一定程度的提高。总之,插层改性的水滑石-氧化石墨烯杂化材料能够进一步提升在TPU基体中的分散性,且LDHs与GO之间的协效作用可以进一步提升阻燃抑烟效率。
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