三嗪系成炭—发泡剂的合成及在聚丙烯中的阻燃机理研究

论文摘要

聚丙烯（PP）作为产量最大的通用塑料之一,其制品大量应用于工业建设、汽车工业、家用电器、电子、包装及建材家具等行业。但聚丙烯的氧指数很低,仅为17～19%,本身属易燃材料,这极大地限制了PP更广泛的应用。因此,开展聚丙烯阻燃性能的研究,特别是开发新的膨胀阻燃体系已成为目前聚丙烯阻燃剂研究与应用的热点。本文设计合成了一种新型三嗪系成炭-发泡剂（CFA）,并对反应机理进行分析,通过红外光谱（FTIR）、元素分析（ELA）、固体碳核磁（13C solid NMR）、TGA对其结构进行了表征,并对其热稳定性进行了分析。TGA测试结果表明CFA具有很高的热稳定性和成炭性,其中以CFA1最为优秀,1%分解温度为300.2℃,600℃时炭残余量为48.2%,800℃时炭残余量为32.2%。通过把CFA与聚磷酸铵（APP）及Zeolite 4A复配,构成新型膨胀阻燃剂（IFR）,将其用于聚丙烯阻燃,研究了CFA与APP的比例关系、不同IFR添加量对聚丙烯阻燃材料的阻燃性能与力学性能的影响。实验结果确定了一种优秀的成炭-发泡剂（CFA1）和阻燃性能比较好的配方:当APP/CFA1为4/1时,只需添加18%含有Zeolite 4A协效剂的IFR1,阻燃PP材料可通过垂直燃烧UL-94 V0级,氧指数为34.3%。采用热重分析仪（TGA）和锥形量热仪（CONE）对IFR1/PP和IFR1/PP/Zeolite 4A进行热降解和燃烧行为的测试,结果表明IFR1的加入使聚丙烯的热降解和燃烧行为发生变化,使得PP体系的热释放速率（HRR）、热释放总量（THR）、质量损失速率（MLR）、CO的生成速率（COP）以及烟产生速率（SPR）都有较大幅度的下降。研究还显示Zeolite 4A的加入不但能够催化促进体系分解,提高PP-IFR体系最终的成炭量,而且对PP体系的HRR、THR、MLR、COP以及SPR有一定的下降,提高了PP-IFR的阻燃性能。通过扫描电镜（SEM）、傅里叶红外光谱仪（FTIR）、能谱仪（EDS）等分析测试手段,并结合TGA和CONE的分析结果,对膨胀阻燃PP体系燃烧后炭层结构和阻燃机理进行了研究。结果表明,IFR1/PP和IFR1/PP/Zeolite 4A燃烧后都能形成优质的膨胀炭层,但IFR1/PP/Zeolite 4A形成的炭层更致密更稳定,而且所形成的炭层属于网状结构。对炭层的内外表层分析表明,它们的炭结构不同,炭层的内表层形成早期膨胀炭层,而炭层的外表层主要形成以P-O-C、P-O-P键为主的交联炭层,这种炭层更加致密、稳定。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 聚合物的阻燃必要性
• 1.2 聚合物的燃烧过程及阻燃机理
• 1.2.1 物质的燃烧原理
• 1.2.2 聚合物的燃烧过程
• 1.2.3 聚合物的阻燃和阻燃机理
• 1.3 阻燃剂现状及趋势
• 1.3.1 阻燃剂的发展方向
• 1.3.2 膨胀阻燃剂
• 1.4 成炭阻燃的研究进展
• 1.4.1 协同阻燃
• 1.4.2 硅氧烷阻燃
• 1.4.3 聚合物纳米阻燃
• 1.5 聚丙烯阻燃的研究进展
• 1.5.1 含卤阻燃体系
• 1.5.2 含磷阻燃体系
• 1.5.3 无机金属氢氧化物阻燃体系
• 1.5.4 无卤膨胀阻燃体系
• 1.6 本课题的研究内容及意义
• 2 实验部分
• 2.1 成炭-发泡剂的合成
• 2.1.1 合成原理
• 2.1.2 实验用原材料
• 2.1.3 合成路线以及方法
• 2.2 结构表征
• 2.2.1 红外光谱分析（FTIR）
• 13C solid NMR)'>2.2.2 固体碳核磁分析(¹³C solid NMR)
• 2.2.3 元素分析（ELA）
• 2.2.4 溶解度测试
• 2.3 阻燃聚丙烯的制备
• 2.3.1 实验用原材料
• 2.3.2 主要仪器及设备
• 2.3.3 阻燃PP的样品制备
• 2.4 阻燃PP的性能分析与测试
• 2.4.1 阻燃性能测试
• 2.4.2 力学性能测试
• 2.4.3 热降解行为测试
• 2.4.4 CONE测试
• 2.4.5 红外光谱（FTIR）
• 2.4.6 扫描电镜及能量元素分析仪（SEM-EDS）
• 3 三嗪系成炭-发泡剂的合成与表征及应用
• 3.1 三嗪系成炭-发泡剂的合成
• 3.2 反应机理分析
• 3.3 三嗪系成炭-发泡剂在聚丙烯中的应用
• 3.3.1 阻燃PP/CFA1/APP/Zeo 4A体系的阻燃性能和力学性能研究
• 3.3.2 阻燃PP/CFA2/APP/Zeo 4A体系的阻燃性能和力学性能研究
• 3.3.3 阻燃PP/CFA3/APP/Zeo 4A体系的阻燃性能和力学性能研究
• 3.3.4 阻燃PP/CFA4/APP/Zeo 4A体系的阻燃性能和力学性能研究
• 3.3.5 阻燃PP/CFA5/APP/Zeo 4A体系的阻燃性能和力学性能研究
• 3.3.6 阻燃PP/CFA6/APP/Zeo 4A体系的阻燃性能和力学性能研究
• 3.4 三嗪系成炭-发泡剂的结构与性能表征
• 3.4.1 FTIR分析
• 13C solid NMR)'>3.4.2 固体碳核磁分析(¹³C solid NMR)
• 3.4.3 元素分析（ELA）
• 3.4.4 溶解度测试
• 3.4.5 热稳性分析
• 3.5 本章小结
• 4 膨胀阻燃PP的热降解与燃烧行为研究
• 4.1 膨胀阻燃PP的热降解研究
• 4.1.1 各阻燃组分及复配体系的热降解行为研究
• 4.1.2 膨胀阻燃PP材料的热降解行为
• 4.2 膨胀阻燃PP材料的燃烧行为
• 4.3 本章小结
• 5 膨胀阻燃PP的阻燃机理研究
• 5.1 扫描电镜（SEM）
• 5.2 红外光谱分析（FTIR）
• 5.3 能量元素分析（EDS）
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢