PA6/OMMT纳米复合材料炭化过程及阻燃机理的研究

论文摘要

本研究以尼龙6（PA6）为基体，采用熔融插层法制备不同填量的有机蒙脱土（OMMT）及钠基蒙脱土（Na+-MMT）的复合材料，并通过X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）观察了蒙脱土在PA6基体中的分散情况。采用锥形量热仪评价其复合材料的阻燃性能；采用数码相机、扫描电镜（SEM）、热失重分析仪（TGA）及XRD对复合材料不同燃烧阶段剩余残余物的表面和断面结构进行了对比分析研究；通过将炭层结构变化的规律与对应的燃烧过程中热释放速率变化规律相关联，对PA6/OMMT纳米复合材料的炭渣结构与阻燃性能的关系进行了研究。XRD及TEM研究结果表明，OMMT片层能均匀的分布在PA6基体中，使复合材料的层间距增大，形成插层复合结构，而MMT不能与聚合物形成插层复合结构；对纯PA6及其复合材料的锥形量热仪实验研究结果表明，添加少量的OMMT就可以显著提高复合材料以热释放速率和质量损失速率表征的阻燃性能，而PA6/MMT复合材料的燃烧性能提高不明显；通过对PA6/OMMT纳米复合材料燃烧后的炭渣的表面和断面的研究发现，其炭渣在亚微观结构上能形成特殊的皮窝结构，其中皮层较密实，但很薄，皮层下面是窝层，质地蓬松，体积较大，是炭层的主体结构。皮-窝结构中，密实的表皮炭层可以保护炭层的内部结构，而含有大量孔隙的窝层结构增大了炭层的体积和厚度，提高了阻隔热传递的作用。就炭层固相阻燃作用而言，这样的结构既最大限度的利用了有限的无机阻燃组分，也最大限度的形成了有效的物理阻隔层形态。从而最有效的发挥炭层阻隔作用，降低聚合物基质的燃烧速率，表现出优异的阻燃性能。本论文还研究了PA6/OMMT纳米复合材料在锥形量热仪燃烧过程中不同燃烧阶段的皮窝炭层结构的变化，并结合热释放速率的变化，探讨了其阻燃机理。炭层结构的变化表明在峰值阶段开始出现了这种皮窝结构，随后热释放速率开始明显的降低，此后皮层增加很少，主要是窝层不断增加，导致一个相对稳定的热释放速率区间，表明这种结构变化与HRR的降低有关系，是阻燃的根本因素。炭层微观结构的研究表明，炭层具有纳米尺度蒙脱土片层组成的网络结构，结合TGA和红外分析结果，发现这种网络结构中存在碳质残渣，它们有高达550℃左右的分解温度，在燃烧过程中大量形成，但在持续高温下氧化分解，所以在最终炭渣中含量很少，这种现象合理的解释了PLS纳米复合材料在燃烧过程中显著降低热释放速率，但却难以降低总的燃烧热量。同时也表明蒙脱土虽然具有一定的促进PA6成碳的作用，但所形成的碳质物质不耐高温氧化，需要进一步提高其这方面的功能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 1 文献综述
• 1.1 蒙脱土的结构及特性
• 1.1.1 蒙脱土结构
• 1.1.2 蒙脱土的基本特性
• 1.2 PLS 复合材料的制备方法及结构
• 1.2.1 PLS 复合材料的制备方法
• 1.2.2 PLS 复合材料的结构
• 1.3 PLS 复合阻燃材料
• 1.3.1 PLS 复合材料的阻燃性能
• 1.3.2 PLS 复合材料的阻燃机理
• 1.4 PLS 复合材料及其残余物结构的表征
• 1.4.1 PLS 复合材料结构的表征
• 1.4.2 PLS 复合材料残余物结构的分析
• 1.5 聚合物阻燃评价方法
• 1.6 课题的研究意义及内容
• 2.实验部分
• 2.1 主要原料
• 2.2 主要实验仪器和设备
• 2.3 样品制备
• 2.3.1 钠基蒙脱土（Na+-MMT）的有机化改性
• 2.3.2 熔融插层法制备 PA6/蒙脱土复合材料
• 2.3.3 复合材料不同燃烧阶段的取样方法
• 2.3.4 炭渣断面和分层取样方法
• 2.4 燃烧性能测试
• 2.5 结构表征
• 2.5.1 X-ray 衍射分析
• 2.5.2 透射电镜（TEM）分析
• 2.5.3 热失重（TGA）分析
• 2.5.4 热失重（TGA）分析
• 2.5.5 红外（IR）分析
• 3 结果与讨论
• 3.1 PA6/蒙脱土复合材料结构的表征
• 3.1.1 XRD 对 PA6/蒙脱土复合材料结构的表征
• 3.1.2 TEM 对 PA6/蒙脱土复合材料结构的表征
• 3.1.3 PA6/OMMT 纳米复合材料的热分解性能
• 3.2 PA6/蒙脱土复合材料的阻燃特性及其残余物的表观形态
• 3.2.1 热释放速率（HRR）
• 3.2.2 质量损失速率（MLR）
• 3.2.3 PA6/蒙脱土复合材料的燃烧残余物的表观形貌
• 3.3 PA6/蒙脱土复合材料的炭化过程
• 3.3.1 复合材料不同燃烧阶段的炭渣残余物的表观形貌
• 3.3.2 复合材料不同燃烧阶段的炭渣残余物的断面结构
• 3.3.3 不同燃烧阶段的剩余残余物的热重分析
• 3.3.4 不同燃烧阶段的剩余残余物的红外表征
• 3.3.5 不同燃烧阶段的 XRD
• 3.4 PLS 材料的阻燃机理探究
• 4 结论
• 参考文献
• 致谢
• 读研期间论文发表情况