無機(jī)粘土包覆有機(jī)纖維復(fù)合材料的制備及其耐火阻燃性能研究.pdf

1、耐高溫阻燃防護(hù)服由三層構(gòu)成:外殼層、蒸汽阻擋層和隔熱層。隔熱層是防止外界熱量滲透到穿著者皮膚上最重要的一層，是關(guān)系到阻燃防護(hù)服性能好壞的關(guān)鍵。目前隔熱層材料的耐高溫隔熱性能尚不能滿足穿用者的需要。如何制備出一種既具有優(yōu)良耐火阻燃性能又具有較好機(jī)械性能的隔熱層材料一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。盡管國內(nèi)外研究開發(fā)出了多種耐高溫有機(jī)纖維用于隔熱層，但這些纖維耐明火能力差，不能賦予消防服和作戰(zhàn)服足夠出入火場的能力。而一些無機(jī)纖維，如陶瓷纖維和

2、玻璃纖維等雖具有優(yōu)良的耐明火性能，但其織造性能和柔韌性較差，也不適合作為耐高溫防護(hù)服的隔熱層材料。因此，有機(jī)/無機(jī)復(fù)合型隔熱層材料的開發(fā)成為研究重點(diǎn)，通過有機(jī)和無機(jī)材料的復(fù)合可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，兼顧材料的耐火阻燃性能和機(jī)械性能。
　　本課題是國家863項(xiàng)目“有機(jī)纖維表面耐明火熱隔絕柔性防護(hù)層的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”(項(xiàng)目號(hào)2007AA03Z336)的部分內(nèi)容，旨在開發(fā)出既具有優(yōu)良耐火阻燃性能又具有較好機(jī)械性能的隔熱層材料。本文通過對(duì)蛭石、蒙脫土

3、結(jié)構(gòu)的分析，研究其成膜性及成膜條件，并分別制備蛭石、蒙脫土(montmorillonite，MMT)和改性聚多巴(poly(N-benzyloxy-carbonyl-3，4-dihydroxyphenylal-anine)，PNBD)-MMT復(fù)合膜包覆聚酰亞胺(polyimide，PI)復(fù)合材料，同時(shí)對(duì)復(fù)合材料的耐明火熱隔絕性能進(jìn)行研究。具體研究內(nèi)容如下:
　　(1)剝分蛭石包覆PI纖維復(fù)合材料的制備及性能研究;
　　a、剝

4、分蛭石的制備及表征:采用化學(xué)和物理相結(jié)合的方法對(duì)蛭石原礦進(jìn)行膨脹和剝分處理，制備剝分蛭石。采用掃描電子顯微鏡(SEM)技術(shù)對(duì)每個(gè)處理階段的蛭石進(jìn)行表征，研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過有機(jī)插層和機(jī)械剝分處理后的蛭石，其解離程度增加，單個(gè)蛭石片晶的徑厚比與蛭石原礦相比增大。選擇粒徑分布均一的剝分蛭石片晶制備純無機(jī)蛭石膜，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析表征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)純無機(jī)蛭石膜具有規(guī)整的層狀結(jié)構(gòu)。
　　b、剝分蛭石包覆PI復(fù)合材料的制備及性能研究:將經(jīng)過篩選的剝分

5、蛭石片晶包覆在PI纖維表面制備出一種新型的有機(jī)/無機(jī)復(fù)合材料。采用SEM對(duì)具有不同蛭石增重率的復(fù)合材料表面狀態(tài)進(jìn)行分析表征，結(jié)果表明復(fù)合材料表面無機(jī)蛭石膜的覆蓋程度隨蛭石增重率的增加而增大，當(dāng)蛭石增重率達(dá)到一定值時(shí)，剝分蛭石片晶也可以在纖維之間的空隙形成無機(jī)蛭石膜。對(duì)剝分蛭石包覆PI復(fù)合材料進(jìn)行耐高溫隔熱性能測試發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料(蛭石增重率為90wt％)在600℃下加熱480s后內(nèi)外表面溫差為220℃，而純PI材料在相同條件下測試內(nèi)外表面

6、溫差小于100℃，說明剝分蛭石對(duì)PI纖維材料的包覆提高了材料的隔熱性能，且復(fù)合材料的隔熱性能隨蛭石增重率的增加而增強(qiáng)。此外，在600℃加熱480s后純PI材料的形變率為38％，而復(fù)合材料(蛭石增重率為90wt％)的形變率僅為15％，材料形變率的降低說明剝分蛭石的包覆提高了有機(jī)纖維材料在高溫條件下的熱穩(wěn)定性。
　　(2)MMT包覆PI纖維復(fù)合材料的制備及性能研究;
　　a、純無機(jī)MMT膜的制備:以不同濃度的乙醇水溶液作為分散介

7、質(zhì)，調(diào)節(jié)鈉基MMT分散液的pH值，采用超聲波細(xì)胞粉碎儀對(duì)MMT分散液進(jìn)行處理，以此MMT分散液為原料制備純無機(jī)MMT膜。通過對(duì)膜的微結(jié)構(gòu)及柔韌性等的研究，確定最佳制膜工藝。
　　b、MMT包覆PI復(fù)合材料的制備及性能研究:將鈉基MMT片晶包覆在PI纖維表面制備復(fù)合材料并對(duì)其進(jìn)行表征。采用SEM研究MMT片晶在PI纖維表面的排列狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)MMT片晶相互交疊包覆在PI纖維表面形成一層無機(jī)膜。分別采用熱重分析(TG)、錐形量熱儀、明火燒

8、蝕、溫差測定等對(duì)復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性能、火災(zāi)危害性能、耐明火性能及隔熱性等進(jìn)行研究。結(jié)果表明，經(jīng)MMT包覆后的PI材料其耐明火阻燃性能、隔熱性能等都得到了極大提高，經(jīng)過MMT包覆后的PI復(fù)合材料在800℃加熱600s內(nèi)外表面溫差為400℃，而純PI材料在相同條件下內(nèi)外表面溫差為100℃。對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行力學(xué)性能測試發(fā)現(xiàn)，經(jīng)MMT包覆后的PI復(fù)合材料與純PI材料相比，其機(jī)械強(qiáng)力有所提高。
　　(3)PNBD-MMT復(fù)合膜包覆PI纖維復(fù)合

9、材料的制備及性能研究;
　　a、PNBD-MMT復(fù)合膜的制備:以陽離子交換容量為90mmol/100g的鈉基MMT和實(shí)驗(yàn)室自制的PNBD(分子量為6000g/mol)為原料采用Layer-by-Layer(LbL)自組裝方法制備復(fù)合膜。對(duì)復(fù)合膜熱穩(wěn)定性和層間距的研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合膜的失重率隨制備復(fù)合膜所用PNBD溶液濃度的增加而增大，同時(shí)，隨著制備復(fù)合膜所用PNBD溶液濃度的增加，復(fù)合膜中MMT的001晶面間距亦增加。
　　b、

10、PNBD-MMT復(fù)合膜包覆PI纖維復(fù)合材料的制備及性能研究:以濃度分別為0.02wt％、0.04wt％和0.10wt％的PNBD溶液與重量百分比為0.02wt％的MMT分散液為不同組分，通過LbL方式在經(jīng)過預(yù)處理的PI纖維材料表面進(jìn)行組裝制備復(fù)合材料。研究了復(fù)合膜包覆對(duì)PI纖維耐火阻燃性能的影響及復(fù)合膜與PI纖維的結(jié)合牢度。結(jié)果表明，純無機(jī)MMT膜包覆PI復(fù)合材料經(jīng)過20次標(biāo)準(zhǔn)水洗后，其表面無機(jī)膜的覆蓋量明顯減少;而PNBD-MMT復(fù)合

11、膜包覆PI復(fù)合材料經(jīng)過20次水洗后，其表面仍被大量復(fù)合膜包覆，且復(fù)合材料表面所包覆膜的殘留量隨PNBD濃度的增加而增加。對(duì)比兩者的熱穩(wěn)定性和耐火阻燃性發(fā)現(xiàn)，PNBD-MMT復(fù)合膜包覆PI復(fù)合材料進(jìn)行多次水洗后仍具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性能和阻燃性能，而MMT包覆PI復(fù)合材料經(jīng)過多次水洗后，其熱穩(wěn)定性能和阻燃性能明顯下降。對(duì)水洗前后復(fù)合材料進(jìn)行垂直燃燒測試，PNBD-MMT復(fù)合膜包覆PI復(fù)合材料經(jīng)過20次標(biāo)準(zhǔn)水洗后損毀長度為7～14mm，與水洗前

12、(7～9mm)相比略有增加，而MMT包覆PI復(fù)合材料從水洗前的8mm增大到水洗后的17mm，說明包覆在PI纖維表面的PNBD-MMT復(fù)合膜與有機(jī)纖維具有更好的結(jié)合牢度，從而可賦予有機(jī)材料持久的耐火阻燃性。強(qiáng)力測試表明，PNBD-MMT復(fù)合膜包覆PI材料的機(jī)械強(qiáng)力較純PI材料有一定程度增強(qiáng)。
　　綜上所述，通過PNBD參與MMT包覆PI過程，大大提高了MMT與PI的結(jié)合牢度，所制得的復(fù)合材料，既具有持久的耐火阻燃性能，又具有很好的機(jī)