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纳米填料/膨胀型阻燃剂复配阻燃聚丙烯研究

作　者: 杜宝宪
导　师: 方征平
学　校: 浙江大学
专　业: 高分子材料
关键词: 聚丙烯膨胀型阻燃剂碳纳米管蒙脱土层状双金属氢氧化物聚倍半硅氧烷阻燃
分类号: TQ325.14
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

聚丙烯(PP)是全球产量最大的树脂之一,被广泛用于建材、汽车、电子/电器等方面。然而,其易燃性(氧指数值,17～18%)及燃烧时产生的熔滴极易引发火灾并导致火势迅速蔓延,这对PP的广泛应用造成极大限制。因此,开展聚丙烯阻燃研究尤为必要和重要。在兼顾环境友好及阻燃效率的基础上,膨胀型阻燃剂(IFR)在阻燃领域获得广泛应用。尽管如此,阻燃剂与聚合物间较差的相容性使阻燃聚合物力学性能有所劣化。因此,新型的膨胀纳米协同阻燃体系已经成为当今阻燃研究的主导。本文基于聚丙烯的燃烧机理,讨论了不同纳米材料对膨胀阻燃聚丙烯复合材料阻燃性能的影响。通过熔融共混法制备聚丙烯/膨胀型阻燃剂/有机化蒙脱土(PP/IFR/OMMT)三元复合体系并对材料的阻燃性能进行研究,发现OMMT在材料中呈剥离分散;当向PP/IFR中引入OMMT时,材料的热稳定性及残炭均显著提高;与PP/IFR相比,一方面OMMT使材料的LOI明显提高;另一方面,锥型量热结果表明OMMT明显优化了材料的阻燃性能,这不仅表现在第一热释放速率峰值(PHRR1)的降低,而且PHRR2也得以延迟。此外,与PP/IFR平整残炭形貌不同,因碳颗粒在黏土片层的沉积,PP/IFR/OMMT材料残炭呈现褶皱形貌。该炭层有利于复合材料热稳定性以及阻燃性能的增强。通过熔融共混法制备聚丙烯/膨胀型阻燃剂/有机化层状双金属氢氧化物(PP/IFR/SDS-LDH)复合材料,在研究该材料热性能及燃烧行为的基础上与PP/IFR/OMMT体系进行了比较。结果表明,OMMT在基体中呈部分剥离分散,LDH以插层/团聚状态为主。由于OMMT与LDH热降解行为的差别,其对阻燃材料热稳定性及阻燃性能的影响分别在前期及中后期起作用。燃烧行为方面,OMMT不仅使膨胀阻燃材料的残炭量增加,而且在熔体表面形成致密完整的褶皱形貌炭层;相对于LDH,其对底部材料与燃烧区之间热质传递起到更为有效的阻隔作用。因此,PP/IFR/OMMT复合材料表现出更为优异的阻燃性能。以碳纳米管(CNTs)、OMMT、LDH及聚倍半硅氧烷(POSS)与IFR复配阻燃PP,其中纳米填料在复合材料中均呈较均匀的分散;POSS较低温度时的挥发以及高温时向硅化物的转变使其对材料热稳定性的影响分两个阶段,即在低温时的热稳定作用不明显甚至有所劣化,高温时则能够赋予材料优异的热稳定性;此外,除CNTs高温时可能引起材料热稳定性劣化之外,其他纳米颗粒对材料热稳定性的优化作用随温度的提高愈加明显;其中,OMMT对材料阻燃性能的提高更为有效。阻燃性能方面,CNTs的存在使膨胀阻燃复合材料的膨胀特性丧失,表现出较差的阻燃性能;进一步研究表明,CNTs与膨胀型阻燃剂复配阻燃聚丙烯时,二者间存在最优化比例范围。

全文目录

致谢  5-7
摘要  7-9
ABSTRACT  9-11
缩写及符号  11-15
第1章绪论  15-43
  1.1 聚丙烯的燃烧及阻燃理论  15-18
    1.1.1 聚丙烯燃烧及阻燃方法  15-18
    1.1.2 聚丙带阻燃现状  18
  1.2 阻燃剂概况及发展趋势  18-20
    1.2.1 阻燃剂概况  18-19
    1.2.2 阻燃剂分类  19-20
  1.3 膨胀阻燃聚丙烯  20-22
    1.3.1 膨胀型阻燃剂概况  20-21
    1.3.2 膨胀型阻燃剂的阻燃原理  21-22
    1.3.3 膨胀型阻燃剂的不足及发展趋势  22
  1.4 纳米阻燃聚丙烯  22-33
    1.4.1 纳米材料概况  22-23
    1.4.2 聚丙烯/纳米黏土阻燃体系  23-26
    1.4.3 聚丙烯/层状双金属氢氧化物阻燃体系  26-28
    1.4.4 聚丙烯/碳纳米管阻燃体系  28-30
    1.4.5 聚丙烯/富勒烯阻燃体系  30-31
    1.4.6 聚丙烯/聚倍半硅氧烷阻燃体系  31-32
    1.4.7 纳米阻燃体系的不足及发展趋势  32-33
  1.5 协同阻燃体系  33-35
    1.5.1 协同阻燃概述  33
    1.5.2 含纳米阻燃剂的协同阻燃聚丙烯研究进展  33-35
  1.6 课题的提出及主要研究内容  35-36
  参考文献  36-43
第2章纳米黏土与膨胀型阻燃剂复配阻燃聚丙烯  43-57
  2.1 引言  43
  2.2 实验部分  43-46
    2.2.1 实验原料  43-44
    2.2.2 PP/IFR/OMMT-x复合材料的制备  44
    2.2.3 分析表征  44-46
  2.3 结果与讨论  46-55
    2.3.1 IFR与OMMT在PP的分散  46-47
    2.3.2 热解行为  47-49
    2.3.3 阻燃性能  49-51
    2.3.4 阻燃机制  51-54
    2.3.5 力学性能  54-55
  2.4 本章小结  55
  参考文献  55-57
第3章 IFR/层状无机盐阻燃聚丙烯  57-69
  3.1 引言  57
  3.2 实验部分  57-58
    3.2.1 实验原料  57
    3.2.2 有机改性层状双金属氢氧化物(SDS-LDH)的合成  57
    3.2.3 阻燃复合材料的制备  57-58
    3.2.4 分析表征  58
  3.3 结果与讨论  58-66
    3.3.1 OMMT与SDS-LDH的结构与形貌  58-59
    3.3.2 OMMT与SDS-LDH在PP中的分散  59-60
    3.3.3 热降解行为  60-63
    3.3.4 燃烧行为  63-65
    3.3.5 残炭形貌  65-66
    3.3.6 动态力学行为  66
  3.4 本章小结  66-67
  参考文献  67-69
第4章纳米填料/膨胀型阻燃剂复配阻燃聚丙烯  69-83
  4.1 引言  69
  4.2 实验部分  69-70
    4.2.1 实验原料  69
    4.2.2 阻燃复合材料的制备  69-70
    4.2.3 测试与表征  70
  4.3 结果与讨论  70-81
    4.3.1 IFR及纳米颗粒在PP中的分散  70-71
    4.3.2 阻燃复合材料的热降解行为  71-73
    4.3.3 燃烧行为  73-75
    4.3.4 阻燃机制研究  75-80
    4.3.5 力学性能  80-81
  4.4 本章小结  81
  参考文献  81-83
全文结论  83-84
攻读硕士期间撰写的论文  84-85
作者简介  85

纳米填料/膨胀型阻燃剂复配阻燃聚丙烯研究

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