Fe2O3协效新型含磷有机硅(PDPSI)对PET及纤维的阻燃、抑烟研究

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聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)具有优异的物理化学性能,被广泛地应用在薄膜、包装材料、合成纤维等领域。但是由于PET自身的极限氧指数较低,属于易燃高分子材料,并且PET在燃烧过程中还会产生大量的黑烟。因此,同时提高PET的阻燃性和抑烟性对人们和环境安全是十分重要的。为了减少阻燃剂对环境的危害,首先,本文利用曼尼希反应制备了一种无卤阻燃剂—含磷有机硅阻燃剂聚N-N二亚甲基磷酸基氨丙基硅氧烷(PDPSI),采用红外(FTIR)、核磁氢谱(1H NMR)、扫描电镜(SEM)、元素分析(EDS)、热重分析(TGA)对其形貌、结构和热稳定性进行了表征,结果表明,PDPSI的初始分解温度为261℃,满足了PET材料的加工温度,在700℃时的残炭量高达62.2%,表明其具有较好的成炭能力。并通过熔融共混法制备了PDPSI/PET复合材料。对其阻燃性能进行研究发现,当PDPSI的添加量为5%时,PDPSI/PET复合材料的极限氧指数(LOI)值达到了27.3%,且通过了垂直燃烧(UL-94)的V-0等级;在700℃的残炭量为17.0%,相比纯PET提高了26.9%;锥型量热仪(CCT)测试的结果表明,PDPSI显著降低了PET复合材料的热释放速率峰值(PHRR)、总的热释放(THR)、总的产烟量(TSP),当PDPSI的含量为3%时,HRR、THR、TSP分别下降了71.19%、29.06%、22.92%,显著提高了PET复合材料的阻燃性。其次,为了同时提高PET复合材料的阻燃性和抑烟性,采用PDPSI和三氧化二铁(Fe2O3)协同阻燃PET。阻燃测试结果表明,当PDPSI/Fe2O3的添加量为2%、PDPSI与Fe2O3的质量比为1:2时,PDPSI/Fe2O3/PET复合材料的LOI值为27.9%达到了难燃级别,在UL-94测试中通过了V-0等级;并且PET复合材料在700℃下的残炭量为17.5%,相比于纯PET提高了30.6%。在CCT测试中,PDPSI/Fe2O3复合阻燃剂显著降低了PET复合材料的PHRR、THR、TSP,其中HRR和THR分别降低了66.05%、14.3%;TSP从14.4 m2降低到8.1 m2,下降了43.8%,表明PDPSI/Fe2O3同时改善了PET复合材料的阻燃性和抑烟性。通过SEM、EDS、FTIR等方法对PET复合材料的阻燃机理进行了研究,结果表明,PDPSI/Fe2O3的阻燃抑烟机理为:一方面PET基体在PDPSI分解的磷酸和Fe2O3的共同催化下,形成了一层连续且致密的交联网状炭层,有效的隔绝了燃烧过程中热量的传输和烟气的逸出;另一方面Fe2O3能够催化烟的前驱体被氧化成CO2,进一步减少了烟气产量。最后,通过熔融纺丝法制备了PDPSI/Fe2O3/PET阻燃纤维,其中PDPSI/Fe2O3复合阻燃剂的添加量分别为0.3%、0.6%、0.9%,对其微观结构、聚集态结构、阻燃性能和拉伸性能等进行了分析。结果表明,当阻燃剂的添加量为0.9%时,PDPSI/Fe2O3/PET阻燃纤维的LOI值从20.4%提高到了26.7%并且通过了B1等级;在CCT测试中,PET阻燃纤维的PHRR、THR和TSP分别降低了32.2%、47.2%和61.3%;在拉伸性能测试中,PET阻燃纤维的断裂强度降低了18.30%,能够满足使用要求。
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