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HIPS/OMMT复合材料在不同燃烧模式下的对火反应特性研究

作　者: 王继刚
导　师: 张军
学　校: 青岛科技大学
专　业: 高分子化学与物理
关键词: 高抗冲聚苯乙烯蒙脱土阻燃性能燃烧模式反应特征
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本研究以高抗冲聚苯乙烯(HIPS)为主要研究对象,采用聚合物熔融插层的方法制备了HIPS/OMMT纳米复合材料。以纯HIPS和HIPS/OMMT纳米复合材料分别代表成炭聚合物和不成炭聚合物,对不同测试方法的特点进行了分析。分析表明不同测试方法所对应的燃烧模式不同。结合复合材料的阻燃机理讨论了材料特殊结构与不同燃烧条件的相互作用,来解释阻燃性能的差别与燃烧条件可能的关系。通过应用扫描电镜(SEM)和热重分析对炭渣的分析进一步解释了复合材料在不同燃烧模式下对火反应的不同。锥形量热仪试验、氧指数试验、水平垂直燃烧试验分别为三种不同的燃烧测试方法,都被广泛应用于材料阻燃性能的测试。本研究采用高速摄像仪,数据采集仪等试验手段分别分析了三种燃烧试验的燃烧环境、温度场、火焰传播、热传递等特点。分析表明,三种燃烧试验存在较大差异,属于不同的燃烧模式。本研究还构建了模型图来说明这些不同特点的燃烧模式对材料燃烧的不同作用方式。本研究进一步分析了HIPS/OMMT纳米复合材料在不同燃烧试验下的阻燃性能,考察了OMMT含量不同时对复合材料在三种燃烧试验下阻燃性能的不同影响。结果表明,在锥形量热仪试验下OMMT含量增加时复合材料阻燃性能明显提高；氧指数试验和水平垂直燃烧试验下OMMT的含量增加对材料的阻燃性能影响较小,阻燃效果不理想。通过扫描电镜(SEM)对HIPS/OMMT纳米复合材料在不同的燃烧试验下不同燃烧阶段的结构变化情况进行了观察研究。研究发现,在锥形量热仪燃烧模式下,插层复合材料从燃烧初期到燃烧结束蒙脱土片层的阻隔作用明显,不断形成了排列规整的炭层结构。氧指数燃烧试验和UL-94垂直燃烧试验下,样品正面受到蒙脱土的阻隔作用,内部裂解的气体沿着样品侧面的缝隙不断溢出,总体上不能发挥蒙脱土片层的阻隔作用使得材料阻燃效果较差。改变内部蒙脱土片层的取向后材料的反应特征进一步证明以上观点。NiO的加入只能改善复合材料在锥形量热仪试验的阻燃性能,在氧指数燃烧试验和UL-94燃烧试验下效果较差。对燃烧残留物的热重分析表明,在锥形量热仪燃烧模式下复合材料裂解完全,属于深度裂解燃烧。氧指数试验燃烧模式和UL-94试验燃烧模式下复合材料属于表面过火型的燃烧,裂解不完全。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
前言  10-12
1 文献综述  12-30
  1.1 聚合物/层状硅酸盐(PLS)纳米复合材料概述  12-18
    1.1.1 PLS材料制备方法和结构特征  12-15
    1.1.2 PLS复合材料性能及阻燃特性  15-16
    1.1.3 PLS材料发展现状  16-18
  1.2 PLS材料阻燃评价方法  18-24
    1.2.1 锥形量热仪试验法  18-19
    1.2.2 氧指数试验法  19-21
    1.2.3 UL-94试验法  21-24
  1.3 PLS材料燃烧过程与特点  24-27
    1.3.1 PLS材料的点燃特征  24-25
    1.3.2 燃烧中的热传递过程  25
    1.3.3 PLS复合材料的燃烧与表面火焰传播  25-27
  1.4 国内外研究进展  27-28
  1.5 本课题研究的意义和主要内容  28-30
2 实验部分  30-34
  2.1 实验原材料  30
  2.2 实验仪器与设备  30-31
  2.3 样品制备  31-32
  2.4 结构表征及性能测试  32-34
    2.4.1 XRD衍射分析  32
    2.4.2 扫描电镜(SEM)分析  32
    2.4.3 透射电镜(TEM)分析  32
    2.4.4 锥形量热仪测试  32
    2.4.5 氧指数试验  32-33
    2.4.6 UL-94燃烧试验  33
    2.4.7 高速摄像仪点燃行为观察  33
    2.4.8 热失重分析(TG)  33-34
3 结果与讨论Ⅰ 不同燃烧试验方法燃烧模式的研究  34-58
  3.1 三种试验方法燃烧过程与燃烧条件和环境的分析  34-39
    3.1.1 锥形量热仪试验下燃烧条件与环境的分析  34-36
    3.1.2 氧指数试验下燃烧条件与环境分析  36-38
    3.1.3 UL-94水平垂直燃烧试验条件与环境的分析  38-39
  3.2 不同燃烧试验下热传递过程特征的分析  39-49
    3.2.1 锥形量热仪燃烧试验下热传递过程的分析  40-42
    3.2.2 氧指数燃烧试验下传热特征分析  42-45
    3.2.3 UL-94燃烧试验下热传递过程分析  45-49
      3.2.3.1 水平燃烧试验下热传递过程分析  45-47
      3.2.3.2 垂直燃烧试验下传热特征分析  47-49
  3.3 不同燃烧试验下的火焰传播分析  49-52
    3.3.1 锥形量热仪燃烧试验下的火焰传播分析  49-50
    3.3.2 氧指数燃烧试验下的火焰传播分析  50
    3.3.3 UL-94燃烧试验下的火焰传播分析  50-52
  3.4 三种燃烧试验下样品表面温度研究  52-57
    3.4.1 锥形量热仪试验下样品温度测试  52-53
    3.4.2 氧指数试验下样品温度测试  53-54
    3.4.3 UL-94燃烧试验下样品温度测试  54-57
      3.4.3.1 水平燃烧试验下样品的温度测试  54-56
      3.4.3.2 垂直燃烧试验下样品温度测试  56-57
  3.5 本章小结  57-58
4 结果与讨论Ⅱ HIPS/OMMT纳米复合材料在不同燃烧模式下的反应特征研究  58-104
  4.1 HIPS/OMMT纳米复合材料插层结构的分析与表征  58-60
    4.1.1 OMMT结构的分析与表征  58-59
    4.1.2 HIPS/OMMT纳米复合材料结构的表征  59-60
  4.2 HIPS/OMMT纳米复合材料阻燃性及其表征  60-65
  4.3 不同燃烧模式下复合材料结构变化及对燃烧性能的影响  65-74
    4.3.1 锥形量热仪试验下复合材料燃烧初期的形貌分析  65-69
    4.3.2 氧指数下火焰扩展前沿处的形貌分析  69-72
    4.3.3 UL-94垂直燃烧火焰扩展前沿处的形貌分析  72-74
  4.4 不同燃烧模式下复合材料结构变化分析  74-79
    4.4.1 锥形量热仪下材料燃烧过程中结构的分析  74-76
    4.4.2 氧指数试验下材料燃烧时结构研究  76-77
    4.4.3 UL-94试验下复合材料燃烧部位结构的研究  77-79
  4.5 不同燃烧模式下最终燃烧残留物的形貌与结构分析  79-85
    4.5.1 锥形量热仪下燃烧残留物的形貌结构研究  79-80
    4.5.2 氧指数试验下复合材料燃烧残渣的形貌结构分析  80-83
    4.5.3 垂直燃烧后的残渣结构分析  83-85
  4.6 OMMT片层取向结构对复合材料反应特征的影响  85-92
    4.6.1 取向结构对阻燃性能的影响  85-88
    4.6.2 不同取向复合材料在不同燃烧试验下残留物的结构变化  88-92
      4.6.2.1 不同取向复合材料锥形量热仪下炭渣结构变化  88-90
      4.6.2.2 不同取向复合材料在氧指数试验下的炭渣结构  90-91
      4.6.2.3 不同取向复合材料在UL-94试验下的炭渣结构  91-92
  4.7 NiO对HIPS/OMMT纳米复合材料阻燃性能的影响  92-96
    4.7.1 锥形量热仪燃烧模式下NiO对复合材料的影响  92-93
    4.7.2 氧指数燃烧模式下NiO对复合材料的影响  93-94
    4.7.3 UL-94水平垂直燃烧模式下NiO对复合材料的影响  94-96
  4.8 复合材料在不同燃烧模式下裂解过程的分析  96-102
    4.8.1 锥形量热仪下炭渣的热解分析  96-98
    4.8.2 氧指数试验下复合材料燃烧后炭渣的热解分析  98-99
    4.8.3 水平燃烧试验下的炭渣热解分析  99-100
    4.8.4 垂直燃烧试验模式下炭渣热解分析  100-102
  4.9 本章小结  102-104
结论  104-106
参考文献  106-112
附录  112-114
致谢  114-116
攻读学位期间发表的学术论文  116-118

HIPS/OMMT复合材料在不同燃烧模式下的对火反应特性研究

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