無機粘土包覆有機纖維復合材料的制備及其耐火阻燃性能研究.pdf

1、耐高溫阻燃防護服由三層構成:外殼層、蒸汽阻擋層和隔熱層。隔熱層是防止外界熱量滲透到穿著者皮膚上最重要的一層，是關系到阻燃防護服性能好壞的關鍵。目前隔熱層材料的耐高溫隔熱性能尚不能滿足穿用者的需要。如何制備出一種既具有優(yōu)良耐火阻燃性能又具有較好機械性能的隔熱層材料一直是學術界和工業(yè)界關注的焦點。盡管國內外研究開發(fā)出了多種耐高溫有機纖維用于隔熱層，但這些纖維耐明火能力差，不能賦予消防服和作戰(zhàn)服足夠出入火場的能力。而一些無機纖維，如陶瓷纖維和

2、玻璃纖維等雖具有優(yōu)良的耐明火性能，但其織造性能和柔韌性較差，也不適合作為耐高溫防護服的隔熱層材料。因此，有機/無機復合型隔熱層材料的開發(fā)成為研究重點，通過有機和無機材料的復合可實現優(yōu)勢互補，兼顧材料的耐火阻燃性能和機械性能。
　　本課題是國家863項目“有機纖維表面耐明火熱隔絕柔性防護層的設計與實現”(項目號2007AA03Z336)的部分內容，旨在開發(fā)出既具有優(yōu)良耐火阻燃性能又具有較好機械性能的隔熱層材料。本文通過對蛭石、蒙脫土

3、結構的分析，研究其成膜性及成膜條件，并分別制備蛭石、蒙脫土(montmorillonite，MMT)和改性聚多巴(poly(N-benzyloxy-carbonyl-3，4-dihydroxyphenylal-anine)，PNBD)-MMT復合膜包覆聚酰亞胺(polyimide，PI)復合材料，同時對復合材料的耐明火熱隔絕性能進行研究。具體研究內容如下:
　　(1)剝分蛭石包覆PI纖維復合材料的制備及性能研究;
　　a、剝

4、分蛭石的制備及表征:采用化學和物理相結合的方法對蛭石原礦進行膨脹和剝分處理，制備剝分蛭石。采用掃描電子顯微鏡(SEM)技術對每個處理階段的蛭石進行表征，研究發(fā)現，經過有機插層和機械剝分處理后的蛭石，其解離程度增加，單個蛭石片晶的徑厚比與蛭石原礦相比增大。選擇粒徑分布均一的剝分蛭石片晶制備純無機蛭石膜，并對其結構進行分析表征，結果發(fā)現純無機蛭石膜具有規(guī)整的層狀結構。
　　b、剝分蛭石包覆PI復合材料的制備及性能研究:將經過篩選的剝分

5、蛭石片晶包覆在PI纖維表面制備出一種新型的有機/無機復合材料。采用SEM對具有不同蛭石增重率的復合材料表面狀態(tài)進行分析表征，結果表明復合材料表面無機蛭石膜的覆蓋程度隨蛭石增重率的增加而增大，當蛭石增重率達到一定值時，剝分蛭石片晶也可以在纖維之間的空隙形成無機蛭石膜。對剝分蛭石包覆PI復合材料進行耐高溫隔熱性能測試發(fā)現，復合材料(蛭石增重率為90wt％)在600℃下加熱480s后內外表面溫差為220℃，而純PI材料在相同條件下測試內外表面

6、溫差小于100℃，說明剝分蛭石對PI纖維材料的包覆提高了材料的隔熱性能，且復合材料的隔熱性能隨蛭石增重率的增加而增強。此外，在600℃加熱480s后純PI材料的形變率為38％，而復合材料(蛭石增重率為90wt％)的形變率僅為15％，材料形變率的降低說明剝分蛭石的包覆提高了有機纖維材料在高溫條件下的熱穩(wěn)定性。
　　(2)MMT包覆PI纖維復合材料的制備及性能研究;
　　a、純無機MMT膜的制備:以不同濃度的乙醇水溶液作為分散介

7、質，調節(jié)鈉基MMT分散液的pH值，采用超聲波細胞粉碎儀對MMT分散液進行處理，以此MMT分散液為原料制備純無機MMT膜。通過對膜的微結構及柔韌性等的研究，確定最佳制膜工藝。
　　b、MMT包覆PI復合材料的制備及性能研究:將鈉基MMT片晶包覆在PI纖維表面制備復合材料并對其進行表征。采用SEM研究MMT片晶在PI纖維表面的排列狀態(tài)，發(fā)現MMT片晶相互交疊包覆在PI纖維表面形成一層無機膜。分別采用熱重分析(TG)、錐形量熱儀、明火燒

8、蝕、溫差測定等對復合材料的熱穩(wěn)定性能、火災危害性能、耐明火性能及隔熱性等進行研究。結果表明，經MMT包覆后的PI材料其耐明火阻燃性能、隔熱性能等都得到了極大提高，經過MMT包覆后的PI復合材料在800℃加熱600s內外表面溫差為400℃，而純PI材料在相同條件下內外表面溫差為100℃。對復合材料進行力學性能測試發(fā)現，經MMT包覆后的PI復合材料與純PI材料相比，其機械強力有所提高。
　　(3)PNBD-MMT復合膜包覆PI纖維復合

9、材料的制備及性能研究;
　　a、PNBD-MMT復合膜的制備:以陽離子交換容量為90mmol/100g的鈉基MMT和實驗室自制的PNBD(分子量為6000g/mol)為原料采用Layer-by-Layer(LbL)自組裝方法制備復合膜。對復合膜熱穩(wěn)定性和層間距的研究發(fā)現，復合膜的失重率隨制備復合膜所用PNBD溶液濃度的增加而增大，同時，隨著制備復合膜所用PNBD溶液濃度的增加，復合膜中MMT的001晶面間距亦增加。
　　b、

10、PNBD-MMT復合膜包覆PI纖維復合材料的制備及性能研究:以濃度分別為0.02wt％、0.04wt％和0.10wt％的PNBD溶液與重量百分比為0.02wt％的MMT分散液為不同組分，通過LbL方式在經過預處理的PI纖維材料表面進行組裝制備復合材料。研究了復合膜包覆對PI纖維耐火阻燃性能的影響及復合膜與PI纖維的結合牢度。結果表明，純無機MMT膜包覆PI復合材料經過20次標準水洗后，其表面無機膜的覆蓋量明顯減少;而PNBD-MMT復合

11、膜包覆PI復合材料經過20次水洗后，其表面仍被大量復合膜包覆，且復合材料表面所包覆膜的殘留量隨PNBD濃度的增加而增加。對比兩者的熱穩(wěn)定性和耐火阻燃性發(fā)現，PNBD-MMT復合膜包覆PI復合材料進行多次水洗后仍具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性能和阻燃性能，而MMT包覆PI復合材料經過多次水洗后，其熱穩(wěn)定性能和阻燃性能明顯下降。對水洗前后復合材料進行垂直燃燒測試，PNBD-MMT復合膜包覆PI復合材料經過20次標準水洗后損毀長度為7～14mm，與水洗前

12、(7～9mm)相比略有增加，而MMT包覆PI復合材料從水洗前的8mm增大到水洗后的17mm，說明包覆在PI纖維表面的PNBD-MMT復合膜與有機纖維具有更好的結合牢度，從而可賦予有機材料持久的耐火阻燃性。強力測試表明，PNBD-MMT復合膜包覆PI材料的機械強力較純PI材料有一定程度增強。
　　綜上所述，通過PNBD參與MMT包覆PI過程，大大提高了MMT與PI的結合牢度，所制得的復合材料，既具有持久的耐火阻燃性能，又具有很好的機