阻燃改性苧麻增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料的制備及其性能和機(jī)理研究.pdf

1、本文在綜述了不飽和聚酯復(fù)合材料阻燃和苧麻纖維阻燃改性研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，針對(duì)苧麻/不飽和聚酯復(fù)合材料火災(zāi)危險(xiǎn)性，從分子設(shè)計(jì)角度出發(fā)，設(shè)計(jì)制備無鹵阻燃苧麻/不飽和聚酯復(fù)合材料:一方面考慮不飽和聚酯的熱解和燃燒特性，通過納米復(fù)合阻燃或者添加含磷類阻燃劑來降低復(fù)合材料的潛在火災(zāi)危險(xiǎn)性;另一方面是通過對(duì)苧麻織物表面接枝或?qū)訉幼越M裝方法進(jìn)行阻燃改性，使得苧麻織物具有凝聚相阻燃的作用，促進(jìn)成炭，降低復(fù)合材料的燃燒熱釋放速率，提高共火災(zāi)安全性。并且通過

2、研究阻燃不飽和聚酯復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性和阻燃性能及其熱解和燃燒產(chǎn)物的演變規(guī)律，探討復(fù)合材料的阻燃機(jī)理。主要的研究進(jìn)展如下:
　　1、采用化學(xué)共沉淀法制備鎳鐵雙氧化物負(fù)載的多壁碳納米管(MWCNT@NiFe2O4)，并添加到不飽和聚酯和苧麻增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料中，制備不飽和聚酯基納米復(fù)合材料。通過透射電鏡等對(duì)其形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)NiFe2O4在MWCNTs表面能起到“楔子”的作用，有效抑制了MWCNT團(tuán)聚，使得MWCNT@Ni

3、Fe2O4能夠均勻分散于不飽和聚酯基體里。通過熱重分析、微型燃燒量熱儀以及動(dòng)態(tài)力學(xué)分析進(jìn)一步研究其熱穩(wěn)定性、燃燒性能和力學(xué)性能。結(jié)果表明，一方面，分散良好的MWCNT和NiFe2O4能發(fā)揮協(xié)同催化作用，在不飽和聚酯基體熱解過程中催化熱解產(chǎn)物形成耐熱、穩(wěn)定的炭層，起到物理阻隔作用，提高了材料的熱穩(wěn)定性和阻燃性能，燃燒熱釋放速率峰值(PHRR)降低了69.49％，同時(shí)有毒有害的熱解氣體產(chǎn)物顯著減少;另一方面，MWCNT@NiFe2O4的良好

4、分散也提高了材料的儲(chǔ)存模量與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。同時(shí)，對(duì)于苧麻/不飽和聚酯復(fù)合材料，MWCNT@NiFe2O4也明顯增強(qiáng)了復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性，成炭量的增多有助于降低燃燒過程的熱釋放速率，提高阻燃性能。
　　2、采用向不飽和聚酯中添加阻燃劑和苧麻織物上接枝阻燃接的方法，利用不同含磷阻燃劑，制備一系列的阻燃苧麻/不飽和聚酯復(fù)合材料，并通過微型量熱儀、極限氧指數(shù)、垂直燃燒、熱重紅外聯(lián)用等方法研究了材料的熱穩(wěn)定性、燃燒性能及熱解與阻燃機(jī)理。添

5、加的含磷阻燃劑分別為次磷酸鋁(AHP)、二乙基次磷酸鋁(ADP)與聚磷酸銨(APP)。研究結(jié)果表明，降低材料的燃燒過程的熱釋放速率，提高火災(zāi)安全性。其中，APP20/UPR的PHRR和總熱釋放量(THR)最低，并且極限氧指數(shù)(LOI)高達(dá)38％，垂直燃燒(UL-94)能達(dá)到Ⅴ-0級(jí)。不同含磷阻燃劑的阻燃機(jī)理為:次磷酸鋁類化合物能在氣相抑制燃燒，發(fā)揮氣相阻燃作用，同時(shí)也能一定程度上在凝聚相中促進(jìn)基體熱解炭化起到凝聚相阻燃;聚磷酸銨發(fā)揮凝聚

6、相阻燃作用，通過熱解產(chǎn)生聚磷酸能催化炭化復(fù)合材料，形成致密炭層隔絕熱量與氧氣的交換，阻止材料燃燒。而在苧麻織物上接枝阻燃改性的方法是先合成一種含磷-氮-硅的反應(yīng)型阻燃劑(TMSAP)，通過溶膠-凝膠方法，使TMSAP接枝在苧麻的表面，在復(fù)合材料燃燒過程中能提前催化裂解、炭化，并發(fā)揮兩相界面阻燃作用，使得PHRR和THR顯著降低，LOI也提高到30.5％，但沒有達(dá)到UL-94Ⅴ-0級(jí)。為了進(jìn)一步提高復(fù)合材料的阻燃性能，在基體中添加10 w

7、t％ APP，即可使得炭層結(jié)構(gòu)變得致密連續(xù)，達(dá)到UL-94Ⅴ-0級(jí)。
　　3.以生物基電解質(zhì)殼聚糖(CH)和植酸(PA)作為陰、陽離子電解質(zhì)，并加入三聚氰胺(ME)作為電荷補(bǔ)償劑和阻燃協(xié)效劑，采用層層自組裝方法對(duì)苧麻織物進(jìn)行表面阻燃改性;將此阻燃苧麻織物作為增強(qiáng)體，制備阻燃增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料。通過掃描電鏡觀察、元素分析、熱重分析、極限氧指數(shù)、錐形量熱和力學(xué)性能測(cè)試等方法研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性、阻燃性能以及力學(xué)性能，并通過熱

8、重-紅外聯(lián)用結(jié)合炭渣掃描電鏡觀察分析其熱解過程和析出的氣體產(chǎn)物，探討其阻燃機(jī)理。結(jié)果表明，苧麻織物表面組裝阻燃改性能明顯降低PHRR和THR，并且LOI從26.0％增加到34.5％;組裝的電解質(zhì)CH/ME與PA催化復(fù)合材料提前熱解、成炭，形成致密的炭層結(jié)構(gòu)，能有效地隔絕熱量與氧氣，并在凝聚相發(fā)揮阻燃作用，從而抑制燃燒。此外，由于強(qiáng)酸性的PA的存在會(huì)分解纖維中纖維素和半纖維素的糖苷鍵，并且對(duì)不飽和聚酯交聯(lián)度也有一定的負(fù)作用，因此復(fù)合材料的