两种环保型纳米阻燃剂的制备及在聚丙烯和环氧树脂中的应用

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本文以硝酸锌(Ni(NO32·6H2O),硝酸镍(Zn(NO32·6H2O),硝酸铝(Al(NO33·9H2O)和尿素为原料,通过水热法制备了锌镍铝三元层状双氢氧化合物(C-LDH)。利用正交试验对LDH的制备条件进行了优化。通过离子交换法将C-LDH转换为N-LDH。通过使用XRD、FTIR、SEM和TG,对C-LDH的晶体结构、层间距、形貌和热稳定性能进行了表征,确定了C-LDH的最佳制备条件。为了改善C-LDH在聚合物中的分散状态,本文选用含有阻燃元素N和具有高温自交联官能团(N=N)的化合物偶氮苯二甲酸,通过离子交换法对N-LDH进行插层改性,提高其层间距,制备了有机化LDH(O-LDH)。使用XRD、FTIR、SEM和TG对O-LDH的结构、形貌和热稳定性能进行了表征。将O-LDH作为一种新型的阻燃协效剂与膨胀型阻燃剂(IFR)复配,制备不同配比的聚丙烯阻燃复合材料。通过XRD、TG和拉伸测试对复合材料的分散状态、热稳定性能、力学性能等进行了表征。XRD结果显示O-LDH在聚合物中是以剥离的形式存在的,并且加入LDH后不会改变PP的晶型。TG数据显示加入LDH后会提高PI复合材料(PP/IFR)的热稳定性能,其中又以O-LDH的效果最好。机械性能测试结果说明PIOL1复合材料比PIL1具有更加优异的机械性能。通过LOI、UL-94和CC等测试方法对PP复合材料的阻燃抑烟性能和燃烧行为进行了表征。LOI和UL-94结果表明LDH与IFR之间具有协效阻燃作用。PIOL1复合材料的氧指数能达到29.3%,并达到UL-94 V-0级。锥形量热结果表明,O-LDH的加入能明显改善PI的防火性能。通过SEM和EDX对PP阻燃复合材料残炭的形貌和组成进行了表征。结果说明,加入O-LDH能够获得更为致密、连续和稳定的炭层。同时,EDX数据也证实了O-LDH的加入提高了残炭的抗热氧分解能力。本文以植酸(PA)和三聚氰胺(MA)为原料,通过水热法,成功合成了一种同时具有碳源、酸源、气源的新型纳米片层膨胀型阻燃剂(PAMA)。探索了不同反应配比、反应温度对PAMA形貌的影响。结果表明:在n PA:n MA=1:6,反应温度80℃下,才能够有效自组装形成均一、稳定的片状PAMA。使用FTIR、1H-NMR、XPS、SEM与EDX-mapping对PAMA的结构和形貌进行了表征,提出了其可能的形成机理。使用TG对PAMA的热稳定性能进行了表征,结果表明其在700℃时具有37.5%的残炭。将PAMA作为单一阻燃剂通过溶剂共混加入到环氧树脂(EP)中,制备了不同PAMA添加量的EP阻燃复合材料。通过SEM、EDX-Mapping、DSC、TG、CC、LOI和UL-94等对EP阻燃复合材料的分散性能、热稳定性能和阻燃性能进行了表征。SEM及EDX-Mapping结果表明PAMA均匀分散在EP基体中。TG结果显示加入PAMA能显著提高EP的热稳定性能及残炭率(700℃残炭为22.98%)。阻燃测试结果表明,加入6 wt%的PAMA能使EP阻燃复合材料氧指数达到29.7%,并达到UL-94 V-0级,使最大热释放速率和火焰增长速率指数分别下降63.9%和62.2%。使用TG-IR、SEM和EDX对复合材料的阻燃机理进行了研究,结果表明PAMA阻燃机理主要是凝聚相阻燃,PAMA片层在受热初期能延缓热的传递,随后其分解产生磷酸及磷酸盐化合物能使EP阻燃复合材料快速形成膨胀型炭层,该炭层能有效阻止热氧传递以及中断燃料供给。
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