膨胀型阻燃聚丙烯复合材料制备、性能与机理的研究

论文摘要

聚丙烯（PP）以其优异的力学性能以及密度小、质量轻等特点而广泛用于汽车、家电、建筑等行业,但是聚丙烯容易燃烧。本文在大量文献调研的基础上,对阻燃剂研究进展、聚丙烯的最新阻燃技术以及PP/EPDM热塑弹性体阻燃技术进行了综述。采用熔融法制备了膨胀型阻燃聚丙烯复合材料,研究了材料热稳定性能和燃烧性能,着重讨论了三聚氰胺磷酸盐（MP）/季戊四醇（PER）膨胀型阻燃体系对阻燃聚丙烯材料性能的影响。本文还就膨胀型阻燃体系在聚丙烯/三元乙丙橡胶（EPDM）热塑弹性体系的阻燃应用进行了研究,并采用动态硫化方法制备出性能较好的PP/EPDM膨胀型阻燃材料。本论文归纳起来主要分以下三个部分:本论文的第一部分通过设计试验对膨胀型阻燃剂,包括三聚氰胺（M）、三聚氰胺磷酸盐（MP）、季戊四醇（PER）及其复合物的热分解特性进行研究。采用气相色谱质谱联用方法对膨胀阻燃剂在惰性气氛下的热裂解气相产物进行分析,而膨胀阻燃剂的空气条件下的热解气相产物采用气体红外分析仪进行实时监测,另外,采用实时红外的方法对膨胀阻燃剂在空气条件下的固相的热解反应也进行了研究。实验结果表明,M热解时主要是放出氨气并伴有自身的升华;MP作为气源和酸源为一体的阻燃剂,除了放出氨气外,还发生脱水反应释放水蒸气;PER当与MP组成膨胀型阻燃体系后,除了气相放出氨气和水蒸气外,体系热解后在固相留下致密的膨胀炭层。本论文的第二部分将膨胀型阻燃剂应用于聚丙烯基体中,制备了膨胀型阻燃聚丙烯（PP）复合材料。采用水溶性低且吸湿性小的双季戊四醇（DPER）和三季戊四醇（TPER）代替易溶于水的季戊四醇（PER）作为膨胀型阻燃体系的碳源,并研究其在膨胀型阻燃聚丙烯材料中的阻燃热解机理。研究了采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）做为“碳源”与MP组成膨胀型阻燃体系在聚丙烯中阻燃作用。实验结果表明,添加PDMS的聚丙烯膨胀型阻燃材料的热解过程中会形成保护层,对材料的阻燃起到了很好的作用;含有PDMS的聚丙烯阻燃材料的耐水性有较大程度提高,经过水处理后仍达到了较好的阻燃级别。为了解决膨胀型阻燃剂在聚丙烯中添加量大的问题,研究了六种金属氧化物,分别是二氧化钛（TiO2）,三氧化二镧（La2O3）,二氧化锆（ZrO2）,三氧化钼（MoO3）,二氧化锰（MnO2）和三氧化二铬（Cr2O3）在膨胀型阻燃聚丙烯材料中协同阻燃作用,对其与膨胀型阻燃剂之间的协效阻燃机理也进行了初步研究。具体结果表明,添加极少量的金属氧化物不但可以提高材料的LOI和UL-94级别而且可以减少膨胀型阻燃剂的使用量,其中添加1%ZrO2或1%的Cr2O3都可以使复合材料的垂直燃烧级别达到V-0（IFR的含量为26%）;锥形量热计试验结果表明在相同添加量的情况下,1%的Cr2O3可使材料的热释放速率达到最低值,而TiO2,La2O3,ZrO2和Cr2O3的加入均可以明显降低材料燃烧时一氧化碳的释放量。另外,金属氧化物的加入改变了膨胀型阻燃炭层的形貌。针对膨胀型阻燃剂与聚丙烯之间相容性差的问题,我们采用乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）作为聚丙烯基体和阻燃剂的相容剂,研究其对膨胀型阻燃材料力学和阻燃性能的影响。结果发现,EVA的加入能较好地改善了阻燃剂和高分子基体的相容性,改善体系的力学性能,尤其是材料的断裂伸长率得到大幅提高;但是随着EVA添加量的增加,材料的阻燃性能却有所下降。采用动态硫化方法,制备了过氧化物、硫磺、酚醛树脂三种体系的动态硫化膨胀型阻燃聚丙烯/三元乙丙橡胶（EPDM）热塑弹性体复合材料,并对三种不同动态硫化体系对PP/EPDM热塑弹性体的阻燃性能和力学性能进行研究,结果表明,动态硫化不但提高了体系的力学性能而且对复合材料的阻燃性也有改善。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 缩略语对照表
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 常用的阻燃剂及其研究进展
• 1.3 聚丙烯阻燃技术研究进展
• 1.4 聚丙烯及其热塑弹性体阻燃技术研究进展
• 1.5 本论文研究思路及主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 膨胀型阻燃剂的热分解特性研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 膨胀型阻燃剂的热稳定性研究
• 2.3.2 膨胀型阻燃剂热解气体产物分析
• 2.3.2.1 GC/MS分析
• 2.3.2.2 红外气体分析仪
• 2.3.3 膨胀型阻燃剂热解固相产物分析
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 聚丙烯阻燃与热稳定性的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 膨胀型阻燃聚丙烯的阻燃性能
• 3.3.2 膨胀型阻燃聚丙烯的热稳定性
• 3.3.3 膨胀型阻燃聚丙烯的热氧化降解特性
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 金属氧化物与膨胀型阻燃聚丙烯体系的协效机理研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 金属氧化物对膨胀型阻燃聚丙烯阻燃性能影响
• 4.3.2 金属氧化物对膨胀型阻燃聚丙烯炭层形貌和结构的影响
• 4.3.3 金属氧化物对膨胀型阻燃聚丙烯炭层强度影响
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 膨胀型阻燃聚丙烯/硅橡胶复合材料性能与机理研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 硅橡胶在PP/MP复合材料中的作用研究
• 5.3.1.1 硅橡胶对PP/MP体系的阻燃性能的影响
• 5.3.1.2 硅橡胶对PP/MP体系的热稳定性的影响
• 5.3.1.3 硅橡胶对PP/MP体系的热分解性能的影响
• 5.3.1.4 硅橡胶对PP/MP体系的力学性能的影响
• 5.3.2 硅橡胶在PP/MP/PER复合材料中的作用研究
• 5.3.2.1 硅橡胶对PP/MP/PER体系的阻燃性能的影响
• 5.3.2.2 硅橡胶对PP/MP/PER体系的力学性能的影响
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 膨胀型阻燃聚丙烯/乙烯-醋酸乙烯共聚物复合材料性能与机理研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 EVA对膨胀阻燃聚丙烯阻燃性能的影响
• 6.3.2 EVA对膨胀阻燃聚丙烯炭层形貌的影响
• 6.3.3 EVA对膨胀阻燃聚丙烯热分解性能的影响
• 6.3.4 EVA对膨胀阻燃聚丙烯力学性能的影响
• 6.3.5 动态硫化交联对EVA/PP/MP/PER复合材料的性能影响
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 聚丙烯/三元乙丙橡胶复合材料的膨胀阻燃研究
• 7.1 引言
• 7.2 实验部分
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 聚丙烯/三元乙丙橡胶复合材料的力学性能
• 7.3.2 聚丙烯/三元乙丙橡胶复合材料的膨胀阻燃研究
• 7.3.3 动态硫化交联聚丙烯/三元乙丙橡胶复合材料的膨胀阻燃研究
• 7.4 本章小结
• 参考文献
• 第八章 总结和展望
• 8.1 本论文的主要工作及结论
• 8.2 本论文的创新点
• 8.3 工作展望
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢