采用硅烷包覆型聚磷酸銨（APP）作為阻燃劑,對竹粉/聚丙烯（PP）復合材料進行阻燃改性,研究APP的用量對復合材料阻燃性能和力學性能的影響;基于APP的最佳用量,以APP、季戊四醇（PER）和三聚氰胺（MEL）作為膨脹型阻燃劑（IFR）,研究APP、PER和MEL的互配比例對復合材料阻燃和力學性能的影響。結果表明,隨著APP用量的增加,復合材料的阻燃性能不斷增強,但彎曲和拉伸強度下降。當APP用量為復合材料總質量的15%時,其綜合性能較佳,與未阻燃復合材料相比,極限氧指數（LOI）由17.1%提高至21.5%,彎曲模量和缺口沖擊強度（NIS）分別增強14.8%和32.2%,彎曲強度和拉伸強度分別降低9.3%和28.8%。當APP、PER和MEL的互配比例為3∶1∶1時,添加15%IFR的復合材料的力學性能總體增強,與未阻燃復合材料相比,彎曲強度、彎曲模量和NIS分別增強18.1%、20.0%和23.3%,僅拉伸強度降低10%。錐形量熱儀和極限氧指數儀結果顯示,IFR阻燃復合材料的熱釋放速率、熱釋放速率峰值和總熱釋放量分別降低56.7%、40.2%和30.5%;LOI提高至25.9%,復... 

【文章來源】：西北林學院學報. 2020,35(04)北大核心CSCD

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【部分圖文】：

竹粉/PP復合材料錐形量熱儀測試后的表面照片

圖1是阻燃處理前后竹粉/PP復合材料的熱釋放速率(HRR)、總熱釋放量(THR)、CO產生量(YCO)和總煙產量(TSP)曲線。由圖1(a)可見,復合材料點燃后HRR曲線均迅速上升,未阻燃復合材料在燃燒75 s時HRR達到最大值,其峰值為928.9 kW/m2,燃燒250 s后,HRR曲線迅速下降;阻燃復合材料HRR曲線出現“雙峰”,且HRR的峰值明顯降低,添加15% APP的復合材料燃燒50 s后HRR達到峰值,為678.9 kW/m2,采用APP∶PER∶MEL為3∶1∶1制備的IFR處理的復合材料在燃燒45 s后HRR達到峰值,為555.3 kW/m2,分別降低了26.9%和40.2%。由圖1(b)可見,THR隨著燃燒時間急劇上升后趨于穩(wěn)定值,阻燃處理后,復合材料的THR明顯降低,而且THR趨于穩(wěn)定值的燃燒時間延長。點燃后,未阻燃復合材料THR曲線迅速上升,燃燒300 s后,THR曲線平緩上升并趨于穩(wěn)定,530 s燃燒試驗結束時,THR為237.9 MJ/m2;阻燃復合材料的THR曲線上升趨勢明顯變緩,燃燒400 s后,THR曲線趨于穩(wěn)定;燃燒675 s后,添加15%APP的復合材料的THR為176.4 MJ/m2;燃燒845 s后,IFR處理的復合材料的THR為165.3 MJ/m2,分別下降了25.9%和30.5%。由此可見,APP對復合材料具有一定的阻燃效果,將APP與PER、MEL互配的IFR可進一步吸收熱量,很好地抑制材料的燃燒過程,在實際火災中起到延緩火勢的作用。APP的加入改變了復合材料的熱降解行為,降低最大熱降解速率[15]。由圖1(c)可見,IFR處理的復合材料燃燒過程產生的CO量明顯增加,錐形量熱試驗結束時,未阻燃復合材料的YCO為27.91 kg/kg,而IFR處理的復合材料的YCO為78.02 kg/kg。YCO的增加說明復合材料燃燒得不完全,CO無法進一步轉換成CO2。這是因為高溫下作為酸源的APP分解成NH3和H2O,可燃性氣體和易揮發(fā)物質被稀釋,O2濃度減少,阻礙氣態(tài)物質進一步燃燒釋放熱量,從而起到氣相阻燃的作用[16-17]。由圖1(d)可見,竹粉/PP復合材料燃燒過程會產生大量的煙氣,而阻燃處理后,復合材料的TSP反而略微增大,分別燃燒250 s和330 s后,APP和IFR處理的復合材料產生的煙氣均超過未處理復合材料。IFR處理的復合材料的TSP為31.5 m2,比未處理復合材料的TSP增加了16.7%。這可能與圖2所示的長時間燃燒后阻燃復合材料表面產生的炭層不穩(wěn)定有關。由圖2可見,錐形量熱儀測試后,未阻燃復合材料表面炭層呈灰白色,說明材料燃燒較完全;IFR阻燃的復合材料燃燒后表面形成塊狀深黑色炭層,說明APP的降解產物較早產生,這些產物在燃燒初始緊密地覆蓋在炭層表面,有效阻止復合材料的燃燒,但是隨著燃燒時間的延長,復合材料表面的炭層不夠堅固,炭塊之間產生很多縫隙和較大的裂縫,減弱了復合材料后期的阻燃性,而且導致產煙量增大。由表2可見,未處理復合材料的HRR和THR分別為465.7 kW·m-2和237.9 MJ·m-2,添加APP和IFR后,復合材料的HRR和THR明顯降低,尤其是APP∶PER∶MEL為3∶1∶1時,復合材料的HRR和THR降至最低,分別為201.6 kW·m-2和165.3 MJ·m-2,分別降低了39.4%和23.3%。復合材料的點燃時間(time to ignition,TTI)較短,為 13 s,IFR阻燃處理后,TTI有所延長。阻燃處理復合材料的殘?zhí)柯?residue weight,RW)略有提高,表明APP起到促進成炭的作用,但是,APP和IFR對TSP的影響不明顯,在燃燒一定進程后并沒有顯示出優(yōu)良的抑煙性能。與錐形量熱儀測試結果一致的是,與15%APP阻燃復合材料相比,添加IFR的復合材料的LOI有所增大,當APP∶PER∶MEL為2∶1∶1時,復合材料的LOI由21.7%提高至23.8;當APP∶PER∶MEL為3∶1∶1時,LOI繼續(xù)提高至25.9%;繼續(xù)提高APP所占比例,LOI不再繼續(xù)增大。

【參考文獻】：
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