【摘要】：聚丙烯(PP)是發(fā)展最快的通用熱塑性塑料之一,其具有綜合性能好、產(chǎn)量大、應(yīng)用廣泛、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。但PP也跟其他大多數(shù)高分子材料一樣,屬易燃可燃材料,而且伴隨著嚴(yán)重的熔滴現(xiàn)象,在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)還容易引起二次燃燒,這對(duì)人們的生命及財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生了巨大的威脅,也極大的限制了其在電子、電器、交通等領(lǐng)域的應(yīng)用,所以研究綠色環(huán)保且綜合性能優(yōu)異的阻燃PP材料迫在眉睫。近年來,膨脹型阻燃劑(IFR)由于其具有低煙、環(huán)保、抗滴落、阻燃效果顯著并且無可替代等特點(diǎn)成為阻燃聚合物材料的研究熱點(diǎn),其中,可膨脹石墨(EG)作為一種新型的IFR脫穎而出,但其存在與聚合物基體相容性差、容易產(chǎn)生“爆米花效應(yīng)”等問題,會(huì)導(dǎo)致阻燃劑用量較多、PP材料力學(xué)性能下降。因此,制備兼具優(yōu)良阻燃性能和力學(xué)性能的PP復(fù)合材料成為了阻燃PP復(fù)合材料進(jìn)一步發(fā)展的挑戰(zhàn)。針對(duì)上述問題,本文通過原位聚合SiO_2納米粒子雜化改性EG得到了一種制備方法簡單并且阻燃效率高的環(huán)保型阻燃劑,其對(duì)復(fù)合材料的阻燃效率以及基體與阻燃劑之間的界面相容性有著很大的提高。進(jìn)而為了使上述具有優(yōu)異阻燃效果的復(fù)合材料的沖擊韌性得到進(jìn)一步的提升,本研究采用辛烯-乙烯(POE)作為彈性體對(duì)PP進(jìn)行增韌改性,從而得到了阻燃性能優(yōu)異并且具有良好沖擊韌性的復(fù)合材料;另一方面引入聚酰胺6(PA6)作為大分子成炭劑,降低了阻燃劑的用量,進(jìn)一步提高了阻燃復(fù)合材料的阻燃效率。主要的研究結(jié)果如下:(1)采用一鍋法原位合成了納米SiO_2粒子雜化改性可膨脹石墨(nHEG),發(fā)現(xiàn)無論是在結(jié)構(gòu)形貌還是在性能上均發(fā)生了較大的變化,尤其nHEG的熱穩(wěn)定性和高溫成炭能力有了很大的提高,這對(duì)nHEG作為阻燃劑的應(yīng)用有了很大的優(yōu)勢(shì)。(2)將得到的nHEG對(duì)PP進(jìn)行阻燃,結(jié)果表明,當(dāng)加入20%的nHEG時(shí)復(fù)合材料的垂直燃燒(UL-94)級(jí)別達(dá)到了V-0,并且其極限氧指數(shù)(LOI)值提高至25.4%,通過錐形量熱儀(CCT)分析得到PP/nHEG復(fù)合材料具有優(yōu)異的阻燃性能和抑煙效果。進(jìn)一步通過對(duì)阻燃復(fù)合材料炭層結(jié)構(gòu)和形貌的研究對(duì)其阻燃機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。此外,在nHEG表面的SiO_2納米粒子促進(jìn)了PP的異相成核,從而大大降低了無機(jī)粒子對(duì)聚丙烯基體力學(xué)性能的劣化。(3)為了使具有優(yōu)異阻燃性能的PP/nHEG20復(fù)合材料的沖擊韌性得到進(jìn)一步提高,本文采用POE對(duì)其阻燃復(fù)合材料進(jìn)行增韌改性,得到了沖擊韌性得到大幅提高并且阻燃性能保持良好的阻燃復(fù)合材料。此外,復(fù)合材料中的POE呈“海-島”結(jié)構(gòu)且分散良好,這種分散良好的POE在少量加入時(shí)可以提高復(fù)合材料的結(jié)晶度,并通過流變性能分析以及沖擊斷面形貌的分析對(duì)復(fù)合材料沖擊韌性的提高給出了良好的解釋。(4)以PA6作為大分子成炭劑,制備了PP/PA6/nHEG阻燃復(fù)合材料。結(jié)果表明,在沒有加入阻燃劑時(shí)的PP/PA6復(fù)合材料的LOI僅為19.1%,隨著nHEG的加入,復(fù)合材料的阻燃性能提升較大,尤其在PP/nHEG10中nHEG的含量只有10%時(shí),復(fù)合材料的UL-94達(dá)到V-1級(jí)別,而加入同組分沒有改性的EG時(shí)復(fù)合材料的UL-94仍達(dá)不到任何級(jí)別,可見SiO_2納米粒子與大分子成炭劑PA6有著良好的協(xié)同阻燃效果。CCT的測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步表明了PP/PA6/nHEG復(fù)合材料無論在熱釋放速率、煙釋放速率還是殘?zhí)苛糠矫婢玫搅撕艽蟮母纳�。這與之前的研究比起來減少了阻燃劑的添加量,很大程度上提高了復(fù)合材料的阻燃效率。
【圖文】：

用的合成方法中以化學(xué)氧化法較為普遍，而且多以高錳酸鉀為氧化劑，，硫酸為。近年來，EG 已經(jīng)成功應(yīng)用在阻燃很多高分子材料中，如：環(huán)氧樹脂（EP）、烯（PS）、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚氨酯（P烯烴（PO）等。由于其在高溫下良好的膨脹吸熱性能以及自身同時(shí)兼具成炭劑、氣源的優(yōu)良品質(zhì)，使得 EG 在阻燃方面的研究、應(yīng)用成為近幾十年的熱點(diǎn)之一.1 EG 及其結(jié)構(gòu).1.2 EG 的定義天然石墨是具有層狀晶體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，層內(nèi)通過碳原子之間的化學(xué)鍵緊密連層間僅以微弱的分子間作用力——范德瓦耳斯力相互連接。在酸性條件與氧化的條件下，鱗片狀石墨將失去層間 π 電子而形成 C+，層間排斥力的增大有利劑以負(fù)離子或中性分子的形式進(jìn)入石墨層間而形成石墨插層化合物——可膨脹EG）[43, 44]，如圖 1-1 給出了 EG 側(cè)面層狀結(jié)構(gòu)和表面形貌。

(a) (b)圖 1-2 EG 的結(jié)構(gòu)圖（圖 a 為 EG 結(jié)構(gòu)圖，圖 b 為蠕蟲狀結(jié)構(gòu)）[45]2 EG 的膨脹過程由于 EG 的層間結(jié)合力較弱，受熱時(shí)插入的 H2SO4與石墨發(fā)生反應(yīng)釋放 CO2O2導(dǎo)致體積膨脹而產(chǎn)生推力將石墨的層與層推開，容積及層間距迅速增大數(shù)倍從而稱之為 EG。EG 作為物理膨脹類阻燃劑，在受熱時(shí)自身發(fā)生膨脹而變結(jié)構(gòu)。一般普通 EG 的起始膨脹溫度在 200oC 左右，可以滿足絕大部分聚合加工溫度。在低的膨脹溫度的條件下，吸附在石墨孔中的水和層間化合物因低而不能快速分解和蒸發(fā)，使得石墨層之間產(chǎn)生的推力相對(duì)較小，從而降低脹系數(shù)；然而，當(dāng)膨脹溫度過高時(shí)，部分石墨的內(nèi)部碳原子將被破壞，這會(huì)最終的質(zhì)量，造成資源浪費(fèi)，因此，EG 的膨脹需要選擇合適的膨脹溫度[46]。石墨的膨脹時(shí)間應(yīng)適中，膨脹時(shí)間太短，會(huì)導(dǎo)致部分夾層化合物分解和汽化
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TQ314.248;TB33

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