新型膨胀无卤阻燃HDPE的研究

论文摘要

近年来,随着人们环保意识增强和对塑料阻燃性能要求的提高,聚烯烃塑料阻燃技术面临新的挑战。传统的卤素阻燃聚烯烃在燃烧时会产生有毒、腐蚀性气体和大量烟雾,存在很大的安全隐患。无机填料阻燃剂则需要较大的添加量才能达到较好的阻燃效果,且很大程度上影响了塑料的力学性能。新型无卤膨胀型阻燃剂应运而生,成为近年来的阻燃领域的研究热点。膨胀型阻燃剂以氮、磷、碳元素作为主要组分,能使阻燃体系在燃烧时于表面产生炭质泡沫层,对凝聚相起到隔热、隔氧、抑烟和减少融滴等作用,赋予塑料很好的阻燃性能。本文分别采用硅藻土（Kie）、高岭土（Kaolin）和氧化镧（La2O3）与膨胀型阻燃剂（IFR）协同阻燃高密度聚乙烯（HDPE）。通过氧指数（LOI）、水平垂直燃烧（UL-94）、热重分析（TG）、差示扫描量热仪（DSC）、红外光谱（IR）、锥形量热（Cone）和扫描电镜（SEM）等分析测试手段,研究了三者对膨胀阻燃体系的影响及其协同阻燃机理。研究结果表明,硅藻土（Kie）能在一定程度上改善HDPE燃烧时熔融下滴情况,降低HDPE的水平燃烧速率和提高LOI。固定IFR的添加量为30wt%,聚磷酸铵/季戊四醇（APP/PER）为2/1时组成IFR的阻燃效果最佳,此时HDPE/IFR复合材料的LOI为30.7,垂直燃烧达到UL-94的V-0级。以Kie与IFR协同阻燃HDPE,Kie用量为0.5%时,协同阻燃效果最佳,HDPE/IFR/Kie复合材料LOI为32.7,较HDPE/IFR体系提高了6.5%,垂直燃烧达到UL-94的V-0级。Kie能进一步提高阻燃体系的热稳定性,促进阻燃体系燃烧时形成强度更高、结构更致密的炭层,降低HDPE燃烧时的热量释放,且能延长阻燃材料的氧化诱导期OIT。以高岭土（Kaolin）阻燃HDPE,Kaolin未能有效地降低火焰的水平传播速率,但能一定程度上改善HDPE燃烧时熔融下滴和提高LOI。以Kaolin与IFR协同阻燃HDPE, Kaolin用量为1%时,协同阻燃效果最佳,HDPE/IFR/Kaolin复合材料LOI为32.4,垂直燃烧达到UL-94的V-0级。Kaolin能提高阻燃体系的热稳定性,促进阻燃体系燃烧时形成强度更高、结构更致密的炭层,且能提高阻燃材料的OIT。稀土氧化镧（La2O3）的加入,能提高HDPE在氮气和空气氛围下的热稳定性。以La2O3与IFR协同阻燃HDPE,La2O3用量为1%时,协同阻燃效果最佳,HDPE/IFR/ La2O3复合材料LOI为32.3,垂直燃烧达到UL-94的V-0级。La2O3能提高阻燃体系的热稳定性,促进阻燃体系燃烧时形成强度更高、结构更致密的炭层,且能提高阻燃材料的OIT。在上述阻燃性能研究基础上,本文也考查了Kie、Kaolin和La2O3分别对HDPE/IFR体系的力学性能、熔融指数和维卡软化点的影响。结果表明,三者均对HDPE/IFR体系的力学性能和维卡软化点影响不大,但能降低HDPE/IFR体系的熔融指数。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 聚合物的燃烧过程
• 1.2 阻燃作用机理
• 1.2.1 固相阻燃机理
• 1.2.2 气相阻燃机理
• 1.2.3 中断热交换阻燃机理
• 1.2.4 协效阻燃机理
• 1.3 阻燃剂的分类
• 1.3.1 卤系阻燃剂
• 1.3.2 磷系阻燃剂
• 1.3.3 无机金属氢氧化物
• 1.3.4 膨胀型阻燃剂
• 1.4 膨胀型无卤阻燃聚烯烃的研究进展
• 1.4.1 表面处理技术
• 1.4.2 超细化技术
• 1.4.3 协同阻燃技术
• 1.4.4 “三位一体”技术
• 1.4.5 其他技术
• 1.5 选题的目的意义、研究内容及技术创新
• 第二章 HDPE/APP/PER/Kie 阻燃体系性能研究
• 2.1 主要原料
• 2.2 主要设备
• 2.3 样品的制备
• 2.4 分析测试
• 2.4.1 氧指数测试
• 2.4.2 水平垂直燃烧测试
• 2.4.3 锥形量热测试
• 2.4.4 扫描电镜
• 2.4.5 力学性能测试
• 2.4.6 热重分析测试
• 2.4.7 红外光谱测试
• 2.4.8 熔体流动速率测试
• 2.4.9 维卡软化点测试
• 2.4.10 粒径分析
• 2.4.11 耐水性测试
• 2.4.12 氧化诱导期测试
• 2.5 结果与讨论
• 2.5.1 Kie 的微观形貌、粒径分布及热失重分析
• 2.5.2 Kie 用量对HDPE 阻燃性能的影响
• 2.5.3 APP/PER 的变化对HDPE/IFR 复合材料性能的影响
• 2.5.4 Kie 用量对HDPE/IFR 复合材料阻燃性能的影响
• 2.5.5 炭层的红外分析
• 2.5.6 HDPE/IFR/Kie 复合材料的热失重分析
• 2.5.7 HDPE/IFR/Kie 复合材料的锥形热量测试
• 2.5.8 炭层的扫描电镜分析
• 2.5.9 HDPE/IFR/Kie 复合材料的抗水性能
• 2.5.10 HDPE/IFR/Kie 复合材料的氧化诱导期
• 2.5.11 HDPE/IFR/Kie 复合材料的其他性能
• 2.6 小结
• 第三章 HDPE/APP/PER/Kaolin 阻燃体系性能研究
• 3.1 主要原料和设备
• 3.2 样品的制备和分析测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 Kaolin 的热失重分析
• 3.3.2 Kaolin 用量对HDPE 阻燃性能的影响
• 3.3.3 Kaolin 用量对HDPE/IFR 复合材料阻燃性能的影响
• 3.3.4 炭层的红外分析
• 3.3.5 HDPE/IFR/Kaolin 复合材料的热失重分析
• 3.3.6 炭层的扫描电镜分析
• 3.3.7 HDPE/IFR/Kaolin 复合材料的抗水性能
• 3.3.8 HDPE/IFR/Kaolin 复合材料的氧化诱导期
• 3.3.9 HDPE/IFR/Kaolin 复合材料的其他性能
• 3.4 小结
• 20₃阻燃体系性能研究'>第四章 HDPE/APP/PER/La₂0₃阻燃体系性能研究
• 4.1 主要原料和设备
• 4.2 样品的制备和分析测试
• 4.3 结果与讨论
• 20₃ 对HDPE 热稳定性的影响'>4.3.1 La₂0₃ 对HDPE 热稳定性的影响
• 20₃ 用量对HDPE/IFR 复合材料阻燃性能的影响'>4.3.2 La₂0₃ 用量对HDPE/IFR 复合材料阻燃性能的影响
• 4.3.3 炭层的红外分析
• 20₃ 复合材料的热失重分析'>4.3.4 HDPE/IFR/La₂0₃复合材料的热失重分析
• 4.3.5 炭层的扫描电镜分析
• 20₃ 复合材料的抗水性能'>4.3.6 HDPE/IFR/La₂0₃复合材料的抗水性能
• 20₃ 复合材料的氧化诱导期'>4.3.7 HDPE/IFR/La₂0₃复合材料的氧化诱导期
• 20₃ 复合材料的其他性能'>4.3.8 HDPE/IFR/La₂0₃复合材料的其他性能
• 4.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢
• 附件