阻燃改性苧麻增強不飽和聚酯復合材料的制備及其性能和機理研究.pdf

1、本文在綜述了不飽和聚酯復合材料阻燃和苧麻纖維阻燃改性研究進展的基礎上，針對苧麻/不飽和聚酯復合材料火災危險性，從分子設計角度出發(fā)，設計制備無鹵阻燃苧麻/不飽和聚酯復合材料:一方面考慮不飽和聚酯的熱解和燃燒特性，通過納米復合阻燃或者添加含磷類阻燃劑來降低復合材料的潛在火災危險性;另一方面是通過對苧麻織物表面接枝或?qū)訉幼越M裝方法進行阻燃改性，使得苧麻織物具有凝聚相阻燃的作用，促進成炭，降低復合材料的燃燒熱釋放速率，提高共火災安全性。并且通過

2、研究阻燃不飽和聚酯復合材料的熱穩(wěn)定性和阻燃性能及其熱解和燃燒產(chǎn)物的演變規(guī)律，探討復合材料的阻燃機理。主要的研究進展如下:
　　1、采用化學共沉淀法制備鎳鐵雙氧化物負載的多壁碳納米管(MWCNT@NiFe2O4)，并添加到不飽和聚酯和苧麻增強不飽和聚酯復合材料中，制備不飽和聚酯基納米復合材料。通過透射電鏡等對其形貌和結(jié)構(gòu)進行表征，發(fā)現(xiàn)NiFe2O4在MWCNTs表面能起到“楔子”的作用，有效抑制了MWCNT團聚，使得MWCNT@Ni

3、Fe2O4能夠均勻分散于不飽和聚酯基體里。通過熱重分析、微型燃燒量熱儀以及動態(tài)力學分析進一步研究其熱穩(wěn)定性、燃燒性能和力學性能。結(jié)果表明，一方面，分散良好的MWCNT和NiFe2O4能發(fā)揮協(xié)同催化作用，在不飽和聚酯基體熱解過程中催化熱解產(chǎn)物形成耐熱、穩(wěn)定的炭層，起到物理阻隔作用，提高了材料的熱穩(wěn)定性和阻燃性能，燃燒熱釋放速率峰值(PHRR)降低了69.49％，同時有毒有害的熱解氣體產(chǎn)物顯著減少;另一方面，MWCNT@NiFe2O4的良好

4、分散也提高了材料的儲存模量與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。同時，對于苧麻/不飽和聚酯復合材料，MWCNT@NiFe2O4也明顯增強了復合材料的熱穩(wěn)定性，成炭量的增多有助于降低燃燒過程的熱釋放速率，提高阻燃性能。
　　2、采用向不飽和聚酯中添加阻燃劑和苧麻織物上接枝阻燃接的方法，利用不同含磷阻燃劑，制備一系列的阻燃苧麻/不飽和聚酯復合材料，并通過微型量熱儀、極限氧指數(shù)、垂直燃燒、熱重紅外聯(lián)用等方法研究了材料的熱穩(wěn)定性、燃燒性能及熱解與阻燃機理。添

5、加的含磷阻燃劑分別為次磷酸鋁(AHP)、二乙基次磷酸鋁(ADP)與聚磷酸銨(APP)。研究結(jié)果表明，降低材料的燃燒過程的熱釋放速率，提高火災安全性。其中，APP20/UPR的PHRR和總熱釋放量(THR)最低，并且極限氧指數(shù)(LOI)高達38％，垂直燃燒(UL-94)能達到Ⅴ-0級。不同含磷阻燃劑的阻燃機理為:次磷酸鋁類化合物能在氣相抑制燃燒，發(fā)揮氣相阻燃作用，同時也能一定程度上在凝聚相中促進基體熱解炭化起到凝聚相阻燃;聚磷酸銨發(fā)揮凝聚

6、相阻燃作用，通過熱解產(chǎn)生聚磷酸能催化炭化復合材料，形成致密炭層隔絕熱量與氧氣的交換，阻止材料燃燒。而在苧麻織物上接枝阻燃改性的方法是先合成一種含磷-氮-硅的反應型阻燃劑(TMSAP)，通過溶膠-凝膠方法，使TMSAP接枝在苧麻的表面，在復合材料燃燒過程中能提前催化裂解、炭化，并發(fā)揮兩相界面阻燃作用，使得PHRR和THR顯著降低，LOI也提高到30.5％，但沒有達到UL-94Ⅴ-0級。為了進一步提高復合材料的阻燃性能，在基體中添加10 w

7、t％ APP，即可使得炭層結(jié)構(gòu)變得致密連續(xù)，達到UL-94Ⅴ-0級。
　　3.以生物基電解質(zhì)殼聚糖(CH)和植酸(PA)作為陰、陽離子電解質(zhì)，并加入三聚氰胺(ME)作為電荷補償劑和阻燃協(xié)效劑，采用層層自組裝方法對苧麻織物進行表面阻燃改性;將此阻燃苧麻織物作為增強體，制備阻燃增強不飽和聚酯復合材料。通過掃描電鏡觀察、元素分析、熱重分析、極限氧指數(shù)、錐形量熱和力學性能測試等方法研究復合材料結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性、阻燃性能以及力學性能，并通過熱

8、重-紅外聯(lián)用結(jié)合炭渣掃描電鏡觀察分析其熱解過程和析出的氣體產(chǎn)物，探討其阻燃機理。結(jié)果表明，苧麻織物表面組裝阻燃改性能明顯降低PHRR和THR，并且LOI從26.0％增加到34.5％;組裝的電解質(zhì)CH/ME與PA催化復合材料提前熱解、成炭，形成致密的炭層結(jié)構(gòu)，能有效地隔絕熱量與氧氣，并在凝聚相發(fā)揮阻燃作用，從而抑制燃燒。此外，由于強酸性的PA的存在會分解纖維中纖維素和半纖維素的糖苷鍵，并且對不飽和聚酯交聯(lián)度也有一定的負作用，因此復合材料的