含有磺酸盐类阻燃剂的尼龙6复合材料制备及性能研究

摘要

聚酰胺是应用最为广泛的工程塑料之一，由于自身具有优异的综合性能，因而在电器设备、汽车零件、化学化工等行业应用十分广泛。然而聚酰胺材料极易燃烧，燃烧后的熔滴带有火焰，造成火灾大规模蔓延，这大大限制了聚酰胺材料的使用范围。因此，许多研究者都在积极地探索阻燃改性聚酰胺的研究。其中，基于磺酸盐类的阻燃剂具有低烟、低毒、高效的优点，其在聚酰胺的阻燃改性中表现出很大的优势。
　　本课题选用磺酸盐类阻燃剂对尼龙6进行阻燃改性，研究阻燃剂对材料的阻燃性能、热稳定性等方面的影响，研究内容主要分为以下三部分:
　　一、氨基磺酸胍(GAS)对尼龙6阻燃性能的影响
　　GAS能显著改善尼龙6的阻燃性能，当添加9％ GAS时，复合材料的极限氧指数(LOI)达到31.9，垂直燃烧等级达到V0，通过热重-红外联用(TG-FTIR)分析表明，GAS阻燃尼龙6的作用机理主要是气相阻燃，GAS自身能在较低温度下分解，释放出大量的NH3、SO2等不可燃气体，稀释氧气浓度，降低尼龙6的燃烧程度。同时，GAS还会促使尼龙6降解，生成一定的残炭，从而对基体起到保护作用。
　　二、二硫化钼(MoS2)/氨基磺酸胍(GAS)复配对尼龙6阻燃性能的影响
　　在尼龙6中单独添加MoS2，能明显降低材料的最大热释放速率，当添加15％的MoS2时，体系的热释放速率峰值由纯尼龙6的978.9KW/m2降低到707.9KW/m2。MoS2是一种热稳定性较高的二维片层结构材料，在阻燃过程中主要以固相机理进行阻燃。在总添加量为15％，用5％的GAS替代MoS2时，复合材料的LOI为31.4，燃烧等级提高到V0。分析表明，GAS能够在较低温度下发生分解，释放出NH3、SO2不可燃气体，这些气体一方面可以稀释氧气浓度，另一方面，能够带走部分热量，抑制聚合物的燃烧，发挥气相阻燃机理的作用。MoS2可以作为物理屏障阻隔热量的传递，在高于800℃时，发生氧化反应，生成三氧化钼(MoO3)和SO2，MoO3是一种抑烟剂，两者都能作用于基体，提高材料抵抗燃烧的能力。
　　三、氨基磺酸胍(GAS)接枝鳞片石墨及其在阻燃尼龙6中的应用
　　选用天然石墨作为阻燃剂，将第一部分使用的阻燃剂GAS通过化学接枝引入石墨表层，得到GAS改性石墨(GO-GAS)，对改性过程进行验证，并将其应用到尼龙6中。实验表明，GO-GAS不仅使尼龙6的阻燃性得到提高，而且增大了石墨与尼龙6的相容性。纯尼龙6的LOI只有22.0，3％的天然石墨可以将材料的LOI提高到24.1，而3％的GO-GAS使材料的LOI进一步提高到25.5。锥形量热(CONE)测试中，GO-GAS对尼龙6燃烧中热量释放的控制作用也明显高于未改性石墨，纯尼龙6的热释放速率峰值是978.9KW/m2，添加3％的天然石墨后，降低到460.4KW/m2，但是在添加3％的GO-GAS后，进一步下降为435.6KW/m2。结合TG-FTIR等分析表明，GO-GAS能同时在固相和气相中发挥作用，固相中，片层结构的石墨在燃烧时能形成残炭，覆盖在基体表面，有效地阻隔外部的热量和氧气;气相中，GAS自身分解可以产生NH3，进而促进尼龙6的降解，两者共同作用，产生NH3、H2O和SO2等惰性气体，发挥气相阻燃的机理。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 聚合物的燃烧理论

1．3 聚合物的阻燃机理

1．3．1 固相阻燃机理

1．3．2 气相阻燃机理

1．3．3 协效阻燃机理

1．4 聚酰胺的结构及降解机理

1．5 聚酰胺的阻燃改性方法

1．6 聚酰胺塑料常用的阻燃剂及阻燃机理

1．6．1 卤系阻燃剂

1．6．2 磷系阻燃剂

1．6．3 氮系阻燃剂

1．6．4 其它无机阻燃剂

1．7 本课题的研究目的和研究内容

1．7．1 研究目的和意义

1．7．2 主要研究内容

第二章 实验部分

2．1 实验原料

2．2 实验仪器和设备

2．3 实验制备

2．3．1 尼龙6／氨基磺酸胍复合体系的制备

2．3．2 尼龙6／二硫化钼／氨基磺酸胍复合体系的制备

2．3．3 氨基磺酸胍接枝鳞片石墨的制备及尼龙6／石墨复合体系的制备

2．4 性能测试与表征

2．4．1 极限氧指数(LOI)

2．4．2 水平垂直燃烧等级(UL-94)

2．4．3 热失重分析(TGA)

2．4．4 傅里叶红外分析(FTIR)

2．4．5 热重-红外联用分析(TG-FTIR)

2．4．6 锥形量热分析(CONE)

2．4．7 扫描电子显微镜(SEM)

2．4．8 示差扫描量热分析(DSC)

2．4．9 X-射线光电子能谱分析(XPS)

2．4．10 力学性能测试

第三章 尼龙6／氨基磺酸胍复合材料阻燃性能的研究

3．1 研究背景

3．2 结果与讨论

3．2．1 阻燃性能分析

3．2．2 热失重分析

3．2．3 残炭成分红外分析

3．2．4 气体的热重-红外联用分析

3．2．5 结晶行为的分析

3．2．6 力学性能

3．3 本章小结

第四章 尼龙6／二硫化钼／氨基磺酸胍复合材料阻燃性能研究

4．1 研究背景

4．2 结果与讨论

4．2．1 尼龙6／二硫化钼的阻燃性能分析

4．2．2 尼龙6／二硫化钼的热稳定性分析

4．2．3 尼龙6／二硫化钼的锥形量热分析

4．2．4 尼龙6／二硫化钼像基磺酸胍的阻燃性能分析

4．2．5 尼龙6／二硫化钼／氨基磺酸胍的热稳定性分析

4．2．6 尼龙6／二硫化钼／氨基磺酸胍的锥形量热分析

4．3 本章小结

第五章 氨基磺酸胍接枝鳞片石墨及其在阻燃尼龙6中的应用

5．1 研究背景

5．2 结果与讨论

5．2．1 氧化石墨的红外分析

5．2．2 氧化石墨的热失重分析

5．2．3 氨基磺酸胍接枝石墨的红外分析

5．2．4 氨基磺酸胍接枝石墨的热失重分析

5．2．5 氨基磺酸胍接枝石墨的X-射线光电子能谱分析

5．2．6 相容性和分散性

5．2．7 阻燃性能分析

5．2．8 热失重分析

5．2．9 锥形量热数据分析

5．2．10 残炭的扫描电子显微镜分析

5．2．11 力学性能分析

5．3 本章小结

第六章 结论

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 不足与展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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