聚合物-α-磷酸鋯納米復(fù)合材料的制備及阻燃與炭化機(jī)理研究.pdf

1、α-磷酸鋯(α-ZrP)是一類具有固體酸催化作用的層狀化合物。本文作者結(jié)合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研和本課題組的有關(guān)工作基礎(chǔ)，在綜述聚合物/無機(jī)物納米復(fù)合材料的最新研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，將納米復(fù)合與凝聚相的催化成炭結(jié)合，發(fā)展聚合物材料的新型阻燃技術(shù)。本文從制備具有片層阻隔作用和固體酸催化活性的α-ZrP出發(fā)，制備了低密度聚乙烯/乙烯-醋酸乙烯酯(LDPE/EVA)、聚丙烯(PP)、高抗沖聚苯乙烯(HIPS)、ABS典型聚合物/磷酸鋯(α-ZrP)納米復(fù)

2、合材料，研究其微觀結(jié)構(gòu)與熱穩(wěn)定性、燃燒性能等之間的關(guān)系：結(jié)合熱重分析和錐形量熱實(shí)驗(yàn)，研究聚合物納米復(fù)合材料的熱解和燃燒行為，分析α-ZrP與基體中無鹵阻燃劑的阻燃協(xié)效作用機(jī)理，探索制備新型阻燃材料的途徑。主要研究工作如下： 1.以水熱法合成層狀化合物α-ZrP，以乙胺為膠體化試劑，采用“層離-插層法”獲得了C16/α-ZrP插層化合物(OZrP)，為制備聚合物/α-ZrP納米復(fù)合材料提供了優(yōu)良的前驅(qū)物。以溶液法制備二茂鐵(Fc)

3、插層的α-ZrP(Fc-ZrP)，并嘗試制備聚合物/Fc-ZrP復(fù)合材料。OZrP和Fc-ZrP的結(jié)構(gòu)和形貌用X射線衍射(XRD)和透射電鏡(TEM)表征，采用熱重分析(TGA)研究了其熱性能。 2.采用熔融共混法制備了LDPE/EVA/(ATH，OZrP)納米復(fù)合材料。對(duì)納米復(fù)合材料進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)和形貌表征及一系列燃燒性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)LDPE/EVA/(ATH，OZrP)納米復(fù)合材料的阻燃性能比LDPE/EVA和LDPE/EVA/

4、ATH阻燃體系有明顯提高。在燃燒過程中，OZrP的加入可以抑制基體的熔融滴落現(xiàn)象，并形成穩(wěn)定的炭層，而只添加ATH無OZrP的阻燃體系仍存在嚴(yán)重的滴落現(xiàn)象，無穩(wěn)定炭層形成。綜合熱釋放速率峰值與點(diǎn)燃時(shí)間TTI、火災(zāi)性能指數(shù)FPI和火災(zāi)發(fā)展指數(shù)FGI評(píng)價(jià)材料的火災(zāi)危險(xiǎn)性，LDPE/EVA/(ATH，OZrP)納米復(fù)合材料的阻燃性能比聚合物純樣明顯提高，火災(zāi)危險(xiǎn)性降低。 3.采用熔融共混法制備PP/(IFR，OZrP)納米復(fù)合材料，熱

5、重分析和SEM研究表明，添加OZrP的PP/IFR阻燃體系成炭量有所增加，燃燒后的殘?jiān)?，炭層結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固、致密。當(dāng)PP基體中含有25％IFR時(shí)，復(fù)合材料的氧指數(shù)為33，垂直燃燒測(cè)試為UL-94 V-1級(jí)別，當(dāng)保持添加劑總量不變，添加3％OZrP到PP/IFR體系中，氧指數(shù)增加到37，垂直燃燒達(dá)到V-0級(jí)別。IFR與OZrP間存在協(xié)效作用，合適的添加比例有利于提高復(fù)合材料的阻燃性能。 4.采用熔融共混法制備了HIPS/OZrP納米復(fù)合材

6、料，隨著OZrP在HIPS基體中含量的增加，納米復(fù)合材料的成炭量也逐漸增大，當(dāng)復(fù)合材料中含1％OZrP時(shí)，其最大熱釋放速率峰值比純樣降低11％。對(duì)炭化產(chǎn)物的形貌和組成研究分析表明，存在石墨片和碳納米管，這種炭層結(jié)構(gòu)有利于提高材料阻燃性能。同時(shí)采用熔融共混法制備了HIPS/Fc-ZrP復(fù)合材料，F(xiàn)c-ZrP由于層間距小，很難與HIPS形成具有良好插層或?qū)与x結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合材料。燃燒后的炭化產(chǎn)物研究表明，F(xiàn)c-ZrP對(duì)HIPS基體在燃燒過程中