新型石墨层间化合物的制备及其膨胀与阻燃机理的研究

论文摘要

以硫酸为插层剂所制造的一类石墨层间化合物（硫酸-GIC）作为膨胀型阻燃剂获得了广泛的研究和应用。尽管此类GIC具有良好的阻燃性能,但在很多实际应用中,阻燃能力仍显不足,而且,较低的初始膨胀温度也在一定程度上限制了它在聚合物阻燃领域中的应用。迄今,有关GIC用作阻燃剂的试验结果均来自于硫酸-GIC,有关其他化合物插层GIC的阻燃性能与阻燃机理的研究极少。本文期望能够通过对不同化合物插层GIC的膨胀与阻燃性能的研究,提高GIC的初始膨胀温度,改善其阻燃性能。为此,本文利用正交实验设计方法对直接插层法和分步插层法制备GIC的反应因素进行了研究,通过GIC的结构和膨胀体积的分析,确立了制备硝酸盐-硫酸-GIC和含磷化合物-硫酸-GIC的较佳反应条件,分析了石墨插层反应原理,探讨了膨胀体积的影响因素,以及GIC的膨胀原理,并将所制备的GIC用于阻燃聚乙烯,对其阻燃性能及其阻燃机理进行了研究,确定了影响GIC膨胀及阻燃性能的关键因素。本文的研究结果表明,通过选择插层剂的热稳定性和氧化性、采用不同插层方法调整GIC的阶结构能够控制GIC的初始膨胀温度、热稳定性、膨胀体积等重要性能参数;所研究的分步插层法更适于制备多元GIC,所制备的GIC具有更低阶结构,其膨胀体积与热稳定性均优于直接插层法所制备的产物;由此制备的含有不同插层剂的GIC具有不同的阻燃性能,其中,多聚磷酸铵-硫酸-GIC因具有自协同阻燃作用而表现出较高阻燃性能;TG-FTIR的试验结果证明,GIC的膨胀机理的关键在于膨胀过程中发生的氧化还原反应,其阻燃机理主要在于形成膨胀石墨阻挡层和促进聚合物成炭的作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 石墨层间化合物的研究概述
• 1.1 石墨的结构特征
• 1.2 石墨层间化合物的结构及其制备方法
• 1.2.1 石墨插层反应原理
• 1.2.2 石墨层间化合物的结构
• 1.2.3 石墨层间化合物的制备方法
• 1.3 石墨层间化合物的应用
• 1.4 石墨层间化合物在阻燃领域中的应用
• 1.4.1 研究背景
• 1.4.2 研究应用现状
• 1.4.3 研究发展方向
• 1.5 本论文研究的主要内容
• 第2章 石墨层间化合物的制备
• 2.1 实验用主要原料
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 石墨层间化合物的制备
• 2.2.2 石墨层间化合物的表征
• 2.3 直接插层法反应因素的研究
• 2.3.1 氧化剂的作用
• 2.3.2 直接插层法制备二元插层化合物
• 2.3.3 直接插层法制备三元插层化合物
• 2.4 分步插层法反应因素的研究
• 2.4.1 硝酸-硫酸共插层GIC的制备
• 2.4.2 硝酸盐-硫酸共插层GIC的制备
• 2.4.3 含磷化合物-硫酸共插层GIC的制备
• 2.5 两种插层法的比较
• 第3章 石墨层间化合物的结构与性能
• 3.1 石墨层间化合物的结构分析
• 3.1.1 二元石墨层间化合物的结构
• 3.1.2 三元石墨层间化合物的结构
• 3.1.3 插层原理的比较分析
• 3.2 石墨层间化合物的膨胀体积
• 3.2.1 膨胀体积与结构的关系
• 3.2.2 膨胀体积与温度的关系
• 3.2.3 石墨层间化合物的热稳定性
• 3.3 膨胀体积的影响因素分析
• 3.3.1 膨胀体积与插层剂插入量的关系
• 3.3.2 膨胀体积与膨胀失重的关系
• 3.3.3 反应增重与膨胀失重的关系
• 3.3.4 XPS研究
• 第4章 石墨层间化合物的阻燃性能与阻燃机理
• 4.1 两种膨胀阻燃体系的比较研究
• 4.1.1 两种膨胀阻燃体系阻燃性能的研究
• 4.1.2 两种膨胀阻燃体系热降解行为的研究
• 4.1.3 两种膨胀阻燃体系表面炭层形貌的研究
• 4.2 膨胀阻燃聚乙烯中协同阻燃作用的研究
• 4.2.1 EG/APP协同阻燃聚乙烯的研究
• 4.2.2 EG/IFR协同阻燃聚乙烯的研究
• 4.2.3 EG/IFR与EG/APP协同阻燃PE的比较
• 4.3 石墨层间化合物的阻燃性能和阻燃机理
• 4.3.1 石墨层间化合物的阻燃性能
• 4.3.2 PE/GIC热降解行为的研究
• 4.3.3 GIC的膨胀及阻燃机理
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 致谢
• 博士生期间发表的学术论文、专著
• 博士后期间发表的学术论文、专著
• 个人简历