聚合物-鐵蒙脫土納米復合材料的制備及阻燃機理研究.pdf

1、聚合物/層狀硅酸鹽納米復合材料由于其優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、氣體阻隔性、阻燃和力學等性能，近年來倍受關注，作者結合國內外文獻調研和本課題組的有關工作基礎，綜述聚合物/無機物納米復合材料的最新研究進展，認為納米復合與凝聚相的催化成炭和自由基捕獲技術的結合有望發(fā)展成為聚合物材料的新型阻燃技術。本文從制備具有催化活性和自由基捕獲作用的有機改性鐵蒙脫土(Fe-OMT)出發(fā)，選取聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、高抗沖聚苯乙烯(HIPS)、ABS-PVC合金

2、、聚丙烯(PP)和硅橡膠等典型聚合物，制備其納米復合材料，研究它們的結構與熱穩(wěn)定性、燃燒性能等之間的關系；通過裂解-色譜-質譜(Py-GC-MS)和熱重分析，研究聚合物納米復合材料的裂解機制和熱解動力學，分析Fe-OMT與基體中含鹵和無鹵阻燃劑的阻燃協(xié)效作用機理，探索制備高效阻燃材料的新途徑。主要研究內容如下： 第一，采用原位合成有機改性鐵蒙脫土(Fe-OMT)，即在有機改性劑存在的水熱反應條件下，成功獲得系列既具有不同層間距、

3、結構單一而又在結構上含有Fe3+離子的有機改性蒙脫土Fe-OMTFe-Mg和Fe-OMTFe-Zn，簡化了制備工藝；Fe-MMT和Fe-OMT的熱失重分析比較說明，后者更容易受熱降解，過程符合Hoffman降解反應。 第二，通過原位聚合法制備了PMMA/Fe-OMTFe-Mg納米復合材料，以PMMA/Na-OMT體系為比較樣品，對比討論PMMA/Fe-OMTFe-Mg和PMMA/Na-OMT兩種納米復合材料的結構和性能關系，在納

4、米復合材料形成中鐵蒙脫土促進MMA單體在層間的聚合，改善片層分散性。TG分析進一步表明在降解起始階段，由于Fe3+的催化作用使PMMA/Fe-OMTFe-Mg納米復合材料的分解溫度比PMMA/Na-OMT低，促進PMMA中主鏈的交聯(lián)，有利于提高前者的熱穩(wěn)定性。 第三，熔融共混法制備了HIPS/Fe-OMTFe-Zn納米復合材料，TG曲線表明納米復合材料的熱穩(wěn)定性得到了顯著提高，燃燒性能結果顯示HIPS/Fe-OMTFe-Zn納米

5、復合材料的熱釋放速率峰值(pHRR)有明顯降低。通過Py-GC-MS和熱重分析，深入研究HIPS/Fe-OMTFe-Zn納米復合材料的熱降解機理和動力學，并與燃燒性能結合，綜合研究其阻燃機理和火災危險性，結果表明，增強的炭化層阻隔作用、能量阻隔作用和自由基捕獲作用是Fe-OMTFe-Zn影響HIPS燃燒性能的主要原因。 第四，采用熔融共混法制備層離/插層型ABS-PVC/Fe-OMTFe-Zn納米復合材料，TG和Py-GC-MS

6、研究表明Fe3+和Zn2+在ABS-PVC燃燒和降解過程中通過Lewis酸作用機理，能促進HCl提前放出，使主鏈交聯(lián)程度增加，最終增加成炭量，達到提高阻燃抑煙的目的；與具有同樣添加量的Na-OMT相比，F(xiàn)e-OMTFe-Zn在復合材料中的阻燃作用更為明顯。同時詳細研究了ABS-PVC/Fe-OMTFe-Zn納米復合材料的燃燒性能，F(xiàn)e-OMTFe-Zn使ABS-PVC基體的阻燃性能得到明顯改善，與Na-OMT相比提高了材料的極限氧指數(shù)(

7、LOI)，能有效防止熔融滴落現(xiàn)象，表明Fe-OMTFe-Zn和ABS-PVC兩者之間具有很好的抑煙和阻燃協(xié)效作用。 第五，用熔融共混法制備了PP/(ATH，F(xiàn)e-OMTFe-Zn)具有層離或插層納米結構的阻燃材料。通過與PP/ATH、PP/(ATH，Na-OMT)和PP/(ATH，F(xiàn)e2O3，ZnO)等復合材料在熱性能、燃燒性能和力學性能等方面的對比，F(xiàn)e-OMTFe-Zn在PP/ATH阻燃體系中有良好的協(xié)效作用，提高了材料的熱

8、穩(wěn)定性、LOI和阻燃級別(UL94)，消除PP在燃燒過程中的熔融滴落現(xiàn)象，而且在土的含量較少時，能提高材料的力學性能。熱重和Py-GC-MS分析表明Fe-OMTFe-Zn在PP/ATH中的阻燃協(xié)效作用不僅僅是片層的阻隔，還有催化成炭，促進了PP鏈的交聯(lián)，減少小分子烯烴的釋放。 第六，采用溶液插層法制備硅橡膠(SR)/Fe--OMTFe-Zn納米復合材料，與SR/Na-OMT相比，TGA結果表明硅酸鹽片層結構上的Fe3+更有利于提