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膨胀阻燃聚乳酸复合材料的制备、性能和阻燃机理研究

2020-12-11阅读(216)

膨胀阻燃聚乳酸复合材料的制备、性能和阻燃机理研究

论文摘要

聚乳酸是一种来源于可再生农作物的完全可生物降解聚合物,其良好的力学性能和生物相容性使其成为公认的可以在一定程度上取代传统石油基聚合物,但是其燃烧熔滴现象严重等问题限制了其应用范围,因此需要对其进行阻燃处理。本文在大量文献调研的基础上,综述了聚乳酸基本性能、聚乳酸的阻燃研究及POSS和碳纳米管作为聚合物阻燃剂的研究。针对聚乳酸燃烧熔滴现象严重的问题,采用膨胀型阻燃体系作为聚乳酸的阻燃剂,制备了阻燃复合材料,研究了材料的阻燃性能和阻燃机理,并将新型膨胀阻燃技术如包裹技术和三元一体膨胀阻燃技术应用于聚乳酸的阻燃,同时将POSS和碳纳米管作为阻燃协效剂引入聚乳酸阻燃体系,研究了POSS和碳纳米管对聚乳酸热降解机理和阻燃性能的影响,并讨论了阻燃机理。本论文归纳起来分以下几个部分:1.合成了成炭剂PEPA和ODOPM并将其与MP复配组成膨胀型阻燃体系应用于聚乳酸的阻燃。研究表明MP/ODOPM可以提高聚乳酸的极限氧指数,降低聚乳酸的PHRR,并能使聚乳酸通过UL94 V0测试,其最佳配比为1:1;MP /PEPA的加入可以极大的提高聚乳酸的极限氧指数,复合材料能通过UL94 V0测试,同时复合材料燃烧时并不产生熔滴现象,PU的加入可以提高复合材料的拉伸强度和冲击强度,并且使得燃烧后形成的炭层更加致密。2.以10-（2, 5-二羟基苯基）-10-氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物（DOPO-BQ）和聚磷酸铵（APP）为酸源,以异氰尿酸三缩水甘油酯（TGIC）为气源,以聚乳酸为炭源制备了膨胀型阻燃聚乳酸复合材料。研究表明膨胀型阻燃体系能够提高聚乳酸的极限氧指数,并能使得复合材料达到UL94 V0级别。MCC结果显示,膨胀型阻燃剂能够降低复合材料的PHRR,TGA结果显示,阻燃复合材料的热稳定性和热解后成炭量都比聚乳酸高。对炭渣进行分析表明,复合材料的膨胀炭层较为致密,提高了材料的火灾安全性。制备了“三元一体”膨胀型阻燃剂BTOCPM,将其应用于聚乳酸阻燃,可以明显提高聚乳酸的阻燃级别,机理研究表明BTOCPM可以促进聚乳酸的燃烧成炭。动态力学研究表明,BTOCPM与聚乳酸的相容性较好。3.为了降低阻燃剂的吸水性,提高阻燃剂与聚乳酸基体的相容性,降低材料的成本,以微胶囊包裹聚磷酸铵（PUMAPP）为酸源,三聚氰胺为气源,淀粉为炭源的膨胀阻燃体系应用于聚乳酸阻燃。膨胀阻燃聚乳酸复合材料的极限氧指数有着极大的提高,同时能够通过UL94 V0测试,并且其PHRR和THR相比纯聚乳酸都有所降低。TGA测试表明其热稳定性和热解成炭量都有所提高。TG-FTIR、RTFTIR及XPS分析可得知膨胀阻燃体系的加入可以增加不可燃挥发性气体的释放量,并且使得聚乳酸燃烧时,其表面形成致密炭层,提高了材料的火灾安全性。4.将TPOSS作为阻燃协效剂引入微胶囊包裹聚磷酸铵和三聚氰胺膨胀阻燃体系,并应用于聚乳酸阻燃。研究表明,TPOSS以纳米尺寸聚集于复合材料基体中。IFR与TPOSS在一定的比例下能够大大提高聚乳酸材料的氧指数,并能够通过UL94 V0测试,同时能够极大的降低聚乳酸的PHRR和THR,随着TPOSS添加量的增加,阻燃复合材料的成炭量增加明显,膨胀性更加明显,并且燃烧时不会出现熔融滴落现象。对RTFTIR、TG-FTIR及XPS的测试结果进行分析,得到TPOSS协效膨胀阻燃聚乳酸复合材料的阻燃机理为:在燃烧初期囊材降解、破裂,PUMAPP放出磷酸和大量不燃性气体,催化PLA降解,形成膨胀、多孔炭层;TPOSS受热氧化降解生成SiO2类物质覆盖在炭层的表面,提高炭层的热稳定性。此炭层会阻止气相和固相之间的热与质量交换,阻止内部材料的进一步燃烧,达到阻燃的目的。5.将MWNTs和POSS作为阻燃协效剂引入PEPA/MP膨胀阻燃聚乳酸体系,研究了它们对复合材料的热降解性能和阻燃性能的影响。惰性气氛中和空气气氛中,MWNTs的引入可以提高复合材料在高温区的热稳定性和成炭量,MWNTs在复合材料基体中主要作用是形成了网状结构阻止了热解气体的释放;MCC和LOI结果表明,当MWNTs的添加量达到一定程度时可以明显提高复合材料的LOI,PHRR也有所降低。空气气氛下,MWNTs的加入可以提高复合材料的氧指数和成炭量,但是对热氧化降解机理没有明显的影响。惰性气氛下,TPOSS在较低的温度下升华和裂解,导致复合材料的起始热降解温度提前,对复合材料高温下的热稳定性和成炭量没有明显影响;TG-FTIR结果表明,TPOSS可以降低复合材料的二氧化碳和环状低聚物的释放,提高一氧化碳的释放;空气气氛下,TPOSS改变了复合材料的热氧化降解机理,提高了复合材料的热稳定性和成炭量。TPOSS加入后,可以提高复合材料的极限氧指数,并能通过UL94 V0测试。炭渣测试表明,TPOSS的加入可以提高复合材料的粘度,阻止气体的逸出,同时TPOSS在受热氧化后形成了二氧化硅类物质覆盖在炭层表面,使得炭层热稳定性提高,因此复合材料的热稳定性能提高。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 聚乳酸基本性质和应用
  • 1.2.1 生物可降解聚合物概述
  • 1.2.2 聚乳酸的基本性质
  • 1.2.3 聚乳酸热降解性能
  • 1.2.4 聚乳酸的应用
  • 1.3 聚乳酸的阻燃研究
  • 1.3.1 膨胀型阻燃体系
  • 1.3.2 层状无机粉体
  • 1.3.3 膨胀型阻燃剂与层状硅酸盐协效阻燃体系
  • 1.4 聚合物/POSS 及聚合物/碳纳米管阻燃研究
  • 1.4.1 聚合物/POSS 纳米复合材料
  • 1.4.2 聚合物/碳纳米管纳米复合材料
  • 1.5 本论文的研究思路和研究内容
  • 1.5.1 研究思路
  • 1.5.2 研究内容
  • 参考文献
  • 第二章 MP/ ODOPM 以及MP/PEPA 膨胀阻燃聚乳酸
  • 2.1 引言
  • 2.2 实验部分
  • 2.2.1 实验原料
  • 2.2.2 实验设备
  • 2.2.3 材料制备
  • 2.2.3.1 PEPA 的合成
  • 2.2.3.2 ODOPM 的合成
  • 2.2.3.3 复合材料的制备
  • 2.2.4 材料结构表征及性能测试
  • 2.3 结果与讨论
  • 2.3.1 PLA/ MP/ODOPM 复合材料的研究
  • 2.3.1.1 结构表征
  • 2.3.1.2 阻燃性能
  • 2.3.1.3 燃烧性能
  • 2.3.1.4 热稳定性
  • 2.3.1.5 热降解机理
  • 2.3.1.6 炭层结构分析
  • 2.3.2 PLA/ MP/PEPA/PU 复合材料的研究
  • 2.3.2.1 阻燃性能
  • 2.3.2.2 力学性能
  • 2.3.2.3 热稳定性
  • 2.3.2.4 炭层结构分析
  • 2.3.2.5 热降解机理
  • 2.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第三章 多元膨胀阻燃剂阻燃聚乳酸的制备、性能及其阻燃机理的研究
  • 3.1 引言
  • 3.2 实验部分
  • 3.2.1 实验原料
  • 3.2.2 实验设备
  • 3.2.3 材料制备
  • 3.2.3.1 PEPA 的合成
  • 3.2.3.2 双（2,6,7-三氧杂-1-1 磷杂双环[2.2.2]辛烷-1-氧-4-亚甲基）酸式磷酸酯三聚氰胺的合成[BTOCPM]
  • 3.2.3.3 复合材料的制备
  • 3.2.4 材料结构表征及性能测试
  • 3.3 结果与讨论
  • 3.3.1 PLA/DOPO-BQ/TGIC 复合材料的研究
  • 3.3.1.1 阻燃性能
  • 3.3.1.2 热稳定性
  • 3.3.1.3 燃烧性能
  • 3.3.2 PLA/DOPO-BQ/APP 复合材料的研究
  • 3.3.2.1 阻燃性能
  • 3.3.2.2 热稳定性
  • 3.3.2.3 燃烧性能
  • 3.3.2.4 炭层结构分析
  • 3.3.3 PLA/ BTOCPM 复合材料的研究
  • 3.3.3.1 结构表征
  • 3.3.3.2 阻燃性能
  • 3.3.3.3 燃烧性能
  • 3.3.3.4 热稳定性
  • 3.3.3.5 热降解过程
  • 3.3.3.6 动态力学性能测试
  • 3.3.3.7 热降解产物的研究
  • 3.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第四章 微胶囊膨胀型阻燃聚乳酸/淀粉复合材料的制备及性能研究
  • 4.1 引言
  • 4.2 实验部分
  • 4.2.1 实验原料
  • 4.2.2 聚合物/碳纳米管纳米复合材料
  • 4.2.3 微胶囊膨胀型阻燃聚乳酸/淀粉复合材料的制备
  • 4.2.4 性能测试
  • 4.3 结果与讨论
  • 4.3.1 XRD 分析
  • 4.3.2 阻燃性能
  • 4.3.3 燃烧性能
  • 4.3.4 热分析
  • 4.3.5 热重-红外联用分析
  • 4.3.6 实时红外光谱分析
  • 4.3.7 炭层的 XPS 分析
  • 4.3.8 炭层的微观形貌
  • 4.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第五章 微胶囊膨胀型阻燃聚乳酸
  • 5.1 引言
  • 5.2 实验部分
  • 5.2.1 实验原料
  • 5.2.2 实验设备
  • 5.2.3 微胶囊膨胀型阻燃聚乳酸/笼型倍半硅氧烷复合材料的制备
  • 5.2.4 性能测试
  • 5.3 结果与讨论
  • 5.3.1 PLA/TPOSS 复合材料的形貌
  • 5.3.2 阻燃性能
  • 5.3.3 燃烧性能
  • 5.3.4 动态力学性能分析（DMA）
  • 5.3.5 热分析
  • 5.3.6 实时红外光谱分析
  • 5.3.7 热重-红外联用分析
  • 5.3.8 炭层的 XPS 分析
  • 5.3.9 炭层的微观形貌
  • 5.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第六章 协效阻燃聚乳酸复合材料的制备及性能的研究
  • 6.1 引言
  • 6.2 实验部分
  • 6.2.1 实验原料
  • 6.2.2 实验设备
  • 6.2.3 材料制备
  • 6.2.3.1 PEPA 的合成
  • 6.2.3.2 MWNTs 的纯化
  • 6.2.3.3 PLA/PEPA/MP/TPOSS 及 PLA/PEPA/MP/MWNTs 的制备
  • 6.2.4 性能测试
  • 6.3 结果与讨论
  • 6.3.1 PLA/PEPA/MP/MWNTs 复合材料的研究
  • 6.3.1.1 阻燃性能
  • 6.3.1.2 燃烧性能
  • 6.3.1.3 惰性气氛下的热降解机理
  • 6.3.1.4 空气气氛下的热降解机理
  • 6.3.1.5 炭层结构分析
  • 6.3.2 PLA/PEPA/MP/TPOSS 复合材料的研究
  • 6.3.2.1 阻燃性能
  • 6.3.2.2 惰性气氛下的热降解机理
  • 6.3.2.3 空气气氛下的热降解机理
  • 6.3.2.4 燃烧性能
  • 6.3.2.5 炭层结构分析
  • 6.4 本章小结
  • 参考文献
  • 本文总结、创新之处和进一步工作展望
  • 攻读学位期间发表的学术论文
  • 致谢

    • 相关论文文献

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