三嗪成炭剂的合成及其与聚磷酸铵协同阻燃聚丙烯的研究

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针对传统膨胀型阻燃体系中成炭剂——季戊四醇(PER)易吸湿、易迁移、热稳定性差等缺点,本文以三聚氯氰、乙二胺、γ-氨丙基三乙氧基硅烷等为原料,通过分子设计合成了两种新型三嗪成炭剂——乙醇胺代三嗪成炭剂(ETCA)和含硅三嗪成炭剂(SiTCA),并分别将其与聚磷酸铵(APP)复配组成新型膨胀型阻燃体系用于阻燃PP,制备了阻燃性能、热稳定性和耐水性能优良的阻燃PP材料。研究了APP/ETCA(APP/SiTCA)的质量比及用量对PP性能的影响,将其与传统膨胀型阻燃体系APP/PER进行了比较;并通过热重分析(TGA)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、热重-红外光谱联用(TG-FTIR)等手段对新型膨胀型阻燃体系的阻燃机理进行了探讨。主要研究内容和结果包括:第一,将APP与PER复配阻燃PP,研究了APP/PER的质量比及用量对PP性能的影响。结果发现,APP/PER对PP具有良好的阻燃效果,但阻燃PP的抑烟性能、热稳定性能、力学性能和耐水性能仍有待提高。当APP/PER质量比为2:1,总用量为25wt%时,阻燃PP的LOI为31.0%,通过UL-94V-0级;同时,材料的热释放速率峰值(pHRR)、平均热释放速率(av-HRR)和烟释放速率峰值(pSPR)较PP明显下降。但阻燃PP的总生烟量较PP提高了21.7%;起始分解温度(T_i)较PP提前了8.7℃;拉伸强度和冲击强度分别较PP下降了28.9%和6.7%。经70℃热水浸泡168h后,阻燃PP的LOI大幅下降,不能通过垂直燃烧测试。第二,以三聚氯氰、乙醇胺、乙二胺等为原料,通过分子设计合成了热稳定性优良、成炭能力突出和水溶性较小的ETCA,并将其与APP复配阻燃PP。研究发现,APP/ETCA对PP有良好的阻燃抑烟作用,且阻燃材料具有优良的力学性能、热稳定性和耐水性能。当APP/ETCA质量比为2:1,总用量为20wt%时,阻燃PP的LOI为30.5%,通过UL-94V-0级。锥形量热分析表明,PP/APP/ETCA的pHRR、THR、pSPR、TSP和av-MLR较PP/APP/PER分别下降了56.1%、30.2%、64.6%、57.5%和59.6%。经70℃热水浸泡168h后,PP/APP/ETCA的LOI有所降低,但仍能通过UL-94V-0级。TGA、FTIR、TG-FTIR等结果表明,APP/ETCA主要通过凝聚相发挥阻燃作用。其阻燃机理为:当温度高于300℃时,APP和ETCA相继分解释放出磷酸和NH3等物质,随后体系发生酯化成炭反应并发泡,最终形成具有隔热隔氧作用的多孔膨胀炭层。第三,为了进一步提高阻燃剂的成炭能力,在ETCA的基础上,采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷取代乙醇胺,合成了热稳定性优良、成炭能力突出和水溶性小的SiTCA,并将其与APP复配阻燃PP。结果发现,APP与SiTCA对PP具有明显的协同阻燃作用,且所制备的阻燃材料综合性能良好。当APP/SiTCA质量比为3:1,总用量为20wt%时,阻燃PP的LOI为31.5%,通过UL-94V-0级。锥形量热分析表明,PP/APP/SiTCA的pHRR、THR、pSPR、TSP和av-MLR均较PP/APP/PER明显下降。热重分析表明PP/APP/SiTCA在750℃时的残炭率高达11.5%,较PP/APP/ETCA提高了180.5%。经70℃热水浸泡168h后,PP/APP/SiTCA的LOI略有降低,但仍能通过UL-94V-0级。
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