棉織物和軟質(zhì)聚氨酯泡沫的層層自組裝阻燃涂層的設計及其性能研究.pdf

1、棉織物和軟質(zhì)聚氨酯泡沫分別是典型的二維和三維聚合物材料。它們廣泛應用于窗簾，床墊，軟墊家具，被套等家居用品。然而，由于較低的熱穩(wěn)定性和高度的可燃性，棉織物和軟質(zhì)聚氨酯泡沫的進一步發(fā)展應用受到了限制，因此有必要提高它們的阻燃性能。層層自組裝技術是一種可以有效地將阻燃性涂層構筑于聚合物材料表面的方法?；诖耍诋斍暗恼撐闹?，我們采用這種方法賦予棉織物和軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料阻燃性。本研究的工作重心集中于如何有效地將阻燃性層層自組裝涂層構筑于棉織

2、物和軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料的表面。
　　在本論文中，首先，采用傳統(tǒng)二組分的組裝方法將全生物質(zhì)膨脹型層層自組裝涂層和二氧化鈦納米管填充的層層自組裝涂層構筑于棉織物的表面。涂覆處理過的棉織物表現(xiàn)出非常顯著的阻燃效果。在此基礎上，我們分別采用三組分和傳統(tǒng)二組分的組裝方法將一維納米粒子填充的層層自組裝涂層構筑于軟質(zhì)聚氨酯泡沫的表面。研究發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)二組分的組裝方法，三組分的組裝方法被證實是一種將層層自組裝涂層構筑于泡沫材料的有效方式。然而

3、三組分的組裝方法通常存在著過多的浸泡步驟。再次，為了避免過多的浸泡步驟，一種雜化二組分的組裝方法被發(fā)展將氧化石墨填充的層層自組裝涂層和它的熱還原產(chǎn)物構筑于泡沫材料的表面。最后，為了提高涂層的阻燃效率，采用一種雜化三組分的組裝方法將二元納米粒子雜化物填充的涂層構筑于泡沫材料的表面，并研究它們的阻燃效果。主要的研究內(nèi)容概述如下:
　　1.在第一部分的研究工作中，采用傳統(tǒng)二組分的組裝方法分別將兩種由殼聚糖和磷化多糖組成的膨脹型層層自組裝

4、涂層構筑于棉織物的表面。改變磷化多糖（PT或PCL）的濃度可以調(diào)節(jié)涂層在棉織物材料的含量。由此，相比于0.5％磷化多糖濃度，采用2％磷化多糖濃度制備的阻燃棉織物包含更高的涂層含量。全反射紅外光譜(ATR-FTIR)結果顯示膨脹型層層自組裝涂層成功地沉積于棉織物的表面。在垂直燃燒測試中，涂覆有20層組裝涂層的棉織物可以導致火焰的熄滅，顯示出優(yōu)異的阻燃效果。微型燃燒量熱儀(MCC)測試結果表明，涂覆處理過的棉織物會導致熱釋放速率峰值和總的熱

5、釋放量的顯著降低。熱重分析(TGA)實驗結果表明，涂覆處理過的棉織物在400到700℃的溫度期間內(nèi)擁有更高的固體炭渣量。因此，作為總結性結果，以上涂層涂覆處理過的棉織物擁有高的炭渣含量組成和低的可燃性。當前的研究工作主要是分別將兩種由殼聚糖和磷化多糖組成的帶有自熄性質(zhì)的層層自組裝涂層構筑于棉織物材料的表面，用于增強它的阻燃性和熱穩(wěn)定性能。
　　2.在第二部分的研究工作中，采用傳統(tǒng)二組分的組裝方法，將殼聚糖和二氧化鈦納米管組成的層層

6、自組裝涂層構筑于棉織物材料的表面。改變二氧化鈦納米管懸浮液的濃度和組裝層層數(shù)可以調(diào)節(jié)涂層在棉織物表面的結構。XPS測試結果表明二氧化鈦納米管填充的層層自組裝涂層成功地構筑于棉織物的表面，而且，SEM結果表明二氧化鈦納米管表現(xiàn)為一種無規(guī)分布、相互糾纏的網(wǎng)狀結構。TGA結果表明，在330到700℃的溫度期間內(nèi)，所有涂覆處理過的棉織物的熱穩(wěn)定性和熱氧化穩(wěn)定性能顯著增強。MCC測試結果表明，相比于純的棉織物，所有涂覆處理過的棉織物會導致比較顯著

7、的熱釋放速率峰值和總的熱釋放量的降低，而且降低的程度依賴于二氧化鈦納米管懸浮液的濃度和組裝層層數(shù)的變化。這種顯著增強的阻燃效果被認為歸因于二氧化鈦納米管構筑的網(wǎng)狀結構的保護作用。
　　3.在第三部分的研究工作中，首先，分別采用傳統(tǒng)二組分的組裝方法和一種衍生出來的三組分的組裝方法將由β-FeOOH納米棒填充的涂層構筑于軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料的表面。ATR-FTIR和SEM的測試結果綜合表明，相比于傳統(tǒng)二組分的組裝方法，三組分的組裝方法可

8、以有效地將β-FeOOH納米棒組成的網(wǎng)絡結構構筑于泡沫材料的表面。錐形量熱儀測試結果表明，由三組分的組裝方法制備的軟質(zhì)聚氨酯泡沫復合材料顯著地降低了熱釋放速率峰值和總的熱釋放量，表明了泡沫材料火災安全性能的極大提高。綜合以上結果表明，三組分的組裝方法可以被用于有效地增強納米粒子和聚合物材料之間的相互作用力和阻燃涂層的質(zhì)量。據(jù)此，我們直接采用三組分的組裝方法將另外的一維納米粒子（二氧化鈦納米管）填充的涂層構筑于泡沫材料的表面。ATR-FT

9、IR和SEM測試結果表明一種由二氧化鈦納米管形成的具有良好分散性的網(wǎng)絡結構被成功構筑于泡沫材料的表面。錐形量熱儀測試結果表明，涂層涂覆處理過的泡沫材料顯著地降低了材料的熱釋放速率峰值，煙生成速率峰值，總的煙釋放量，一氧化炭生成量和總的熱釋放量。尤其對于僅僅含有5.65wt％涂層含量的泡沫材料，可以導致高達70.2％熱釋放速率峰值，62.8％煙生成速率峰值，40.9％總的煙釋放量，63.5％-氧化炭生成量和63.5％總的熱釋放量的降低。二

10、氧化鈦納米管的物理阻隔效應和吸附效應被分析是取得如此顯著增強效果的原因。
　　4.在第四部分的研究工作中，采用衍生而來的雜化二組分的組裝方法將氧化石墨(GO)填充的涂層和它的熱還原產(chǎn)物構筑于軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料的表面，與此同時，進行了阻燃性的比較性研究。在當前的這種雜化二組分的組裝方法中，由于靜電相互作用力和氫鍵作用力的結合，SA和GO被制備于共同的水溶液中。TGA測試結果表明，相比于GO，RGO涂覆處理過的泡沫材料在330到600

11、℃的溫度期間內(nèi)顯示出更高的熱穩(wěn)定性。錐形量熱儀測試結果表明所有涂覆處理過的泡沫材料顯示出熱釋放速率峰值，煙生成速率峰值，總的煙釋放量的降低。此外，當泡沫材料構筑了3層以上組裝層的時候，熱釋放速率和煙生成速率曲線出現(xiàn)了明顯的延遲效果，表明石墨烯材料填充的涂層具有良好的物理阻隔效果。阻燃性的對比研究發(fā)現(xiàn)，相比于RGO，GO涂覆處理過的泡沫材料顯示出更好的阻燃性和抑煙性能。這被認為歸因于RGO在泡沫材料燃燒的過程中以煙顆粒的形式大量損失掉了。

12、
　　5.在第五部分的研究中，采用雜化三組分的組裝方法將兩種二元納米粒子雜化物填充的涂層分別構筑于泡沫材料的表面。在本研究中，雜化三組分的組裝方法是雜化二組分和三組分的組裝方法的結合產(chǎn)物。錐形量熱儀測試結果表明，相比于單一組分(GO，或β-FeOOH納米棒或KH-550-SiO2)，二元納米粒子雜化物會導致更低的熱釋放速率峰值，甚至它幾乎導致第二個熱釋放速率峰值的消失。GO片層和β-FeOOH納米棒或KH-550-SiO2之間的互