石蜡类相变材料的设计及其热物性与阻燃性能研究

论文摘要

石蜡由于具有高的相变潜热、化学性能稳定、且相变温度可控、价格合理的特点,成为相变材料领域研究的热点；但石蜡为低分子量的碳氢化合物,具有易渗漏、导热系数低、火灾危险性高等缺陷。本论文在综合国内外研究现状的基础上,针对石蜡类相变材料存在的问题,通过设计定形相变材料和微胶囊化相变材料,兼顾相变材料的导热系数,制备多种性能优良的阻燃相变材料。研究膨胀石墨对含卤阻燃、无卤膨胀阻燃体系,以及金属、单氢氧化物对膨胀阻燃相变材料的热物性和阻燃性能的影响,探讨其相变、储能及阻燃协效作用,揭示其阻燃机理。主要研究工作如下：1.研究膨胀石墨（EG）对阻燃高密度聚乙烯/石蜡/氯化石蜡/三氧化二锑（HDPE/Paraffin/CP/AT）定形相变材料的热物性和燃烧性能的影响。差示扫描量热仪（DSC）分析显示：定形相变材料中HDPE的含量越低,材料的储能性能越高,其主要原因可能与石蜡分子的热运动有关；热重-红外联用（TGA-FTIR）分析结果表明：EG的加入能减少阻燃材料可燃性气体的释放,但增加二氧化碳的释放量；微型燃烧量热仪（MCC）和锥型量热仪（CONE）分析结果显示：EG与氯化石蜡、三氧化二锑组成的阻燃体系在HDPE/Paraffin中存在协效阻燃作用,可有效降低相变材料的热释放速率。2.研究无卤膨胀阻燃定形相变材料,从提高相变材料的导热性能和阻燃性能出发,设计制备EG和膨胀阻燃定形相变材料。实验结果表明：石蜡和EG能均匀分散在HDPE形成的三维网络结构中；EG能够提高膨胀型阻燃定形相变材料的导热系数和阻燃效率,有效降低相变材料的热释放速率峰值,其主要原因是相变材料在热解与燃烧的初始阶段,部分EG会迁移到材料的表面,形成物理阻隔层,同时在膨胀炭层的形成过程中,EG交错于膨胀炭层中,增强膨胀炭层的强度,提高相变材料的阻燃性能。3.研究金属对膨胀阻燃相变材料热物性和燃烧性能的影响,分析其协效阻燃机理。实验结果表明：当金属铁、镁、铝和锌单质加入到膨胀型阻燃相变材料中,都能提高相变材料的阻燃性能。TGA-FTIR和CONE研究表明：金属铁、镁、铝和锌单质能减少相变材料在热解过程中可燃性气体和二氧化碳的释放,促进氨气的生成,有效降低相变材料的热释放速率,提高材料的阻燃性能；金属单质能提高材料的导热系数,但对相变材料的相变储能性能影响较小。4.利用溶胶-凝胶法制备含锌的层状单氢氧化物（LZHN）,通过十二烷基硫酸钠改性LZHN,得到有机化的含锌层状单氢氧化物（ds-LZHN）,其层间距由9.91A增大到31.12A；并制得微（纳）米石蜡复合材料；研究了ds-LZHN对石蜡、膨胀型阻燃石蜡体系的热性能影响,TGA、TGA-FTIR和CONE研究表明：ds-LZHN能提高石蜡和膨胀阻燃石蜡的热稳定性能,降低石蜡和膨胀阻燃石蜡在热解过程中可燃性气体的释放,提高膨胀型阻燃剂在石蜡中的阻燃效率。5.采用界面聚合的方式制备了以三聚氰胺甲醛树脂为核壳,石蜡为核的微胶囊石蜡相变材料（Micro-PCM）,并应用于光固化涂层和聚氨酯泡沫材料中。首先,通过光固化技术制备含Micro-PCM的环氧丙烯酸树脂涂层材料,Micro-PCM在基体中分散良好；同时研究甲基磷酸二甲酯（DMMP）和八乙烯基硅倍半氧烷（OVPOSS）对EA/Micro-PCM复合材料中的燃烧性能的影响,研究表明：DMMP和OVPOSS在EA/Micro-PCM复合材料中存在阻燃协同作用。其次,研究Micro-PCM对聚氨酯泡沫（PUF）的能量储存和对温度的控制作用,并添加可膨胀石墨（EDG）和聚磷酸铵（APP）,探讨聚氨酯泡沫的燃烧性能,当Micro-PCM的加入,可有效调控PUF能量的转换,且阻燃PUF具有较高的热稳定性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略语中的中英文对照表
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 储能技术
• 1.2.1 化学反应储能技术
• 1.2.2 显热储能技术
• 1.2.3 相变储能技术
• 1.3 相变材料
• 1.3.1 相变材料的种类
• 1.3.2 相变材料的应用
• 1.3.3 相变材料的性能要求
• 1.4 阻燃剂的种类
• 1.5 本论文的研究思路和主要研究内容
• 1.5.1 研究思路
• 1.5.2 主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 含卤阻燃剂阻燃高密度聚乙烯/石蜡定形相变材料的热物性及阻燃性能研究
• 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 膨胀石墨的制备
• 2.2.4 阻燃定形相变材料的制备
• 2.2.5 材料的结构表征及性能测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 膨胀石墨（EG）和定形相变材料的形貌、结构
• 2.3.2 定形相变材料的热稳定性能
• 2.3.3 定形相变材料的热解产物研究
• 2.3.4 定形相变材料的燃烧性能
• 2.3.5 定形相变材料的相变储能性能
• 2.3.6 定形相变材料的阻燃机理
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 膨胀石墨对膨胀型阻燃定形相变材料的热物性和燃烧性能的影响及阻燃机理研究
• 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 样品的制备
• 3.2.4 材料的结构表征及性能测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 定形相变材料的微观结构
• 3.3.2 定形相变材料的相变储能性能
• 3.3.3 定形相变材料的导热性能
• 3.3.4 材料的热稳定性能
• 3.3.5 定形相变材料的燃烧性能
• 3.3.6 EG的迁移性
• 3.3.7 阻燃机理
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 金属对膨胀型阻燃相变材料的热物性与燃烧性能的影响及阻燃机理研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验原料
• 4.2.2 实验设备
• 4.2.3 样品的制备
• 4.2.4 材料的结构表征及性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 定形相变材料的燃烧性能
• 4.3.2 定形相变材料CONE测试后的炭层分析
• 4.3.3 相变材料的燃烧性能
• 4.3.4 相变材料的热解分析
• 4.3.5 阻燃机理研究
• 4.3.6 定形相变材料的导热性能
• 4.3.7 相变材料的相变储能性能
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 含锌层状单氢氧化物的制备及其在膨胀型阻燃石蜡中的应用研究
• 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 含锌的层状单氢氧化物（LZHN）和DS改性LZHN（ds-LZHN）的制备
• 5.2.4 石蜡纳米复合材料的制备
• 5.2.5 材料的结构表征及性能测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 纳米材料的微观结构
• 5.3.2 纳米复合材料的热稳定性能
• 5.3.3 复合材料的热解产物研究
• 5.3.4 复合材料的燃烧性能研究
• 5.3.5 复合材料的相变储能性能
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 微胶囊石蜡相变材料的制备及其应用研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 实验原料
• 6.2.2 材料的制备
• 6.2.3 材料的结构表征及性能测试
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 微胶囊石蜡相变材料的微观形貌和红外分析
• 6.3.2 微胶囊石蜡相变材料的相变和储能性能
• 6.3.3 微胶囊石蜡相变材料的热稳定性能和燃烧性能
• 6.3.4 Micro-PCM在紫外光固化涂层中的应用研究
• 6.3.5 Micro-PCM在聚氨酯泡沫材料中的应用研究
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 全文总结、创新之处及进一步工作展望
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文与研究成果