纳米Sb2O3/BPS-PBT复合材料的热稳定性及阻燃性研究

摘要

聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）是世界通用的五大工程塑料之一，具有优良的机械性能、耐腐蚀性能、电气性能等，被广泛应用于电子电器、汽车制造、机械设备等行业。PBT主要由C、H、O元素构成，阻燃性能差，在燃烧时易产生熔滴，点燃周边可燃物，具有极大的安全隐患，故需对PBT进行阻燃改性。在对PBT进行阻燃改性时应选择环保高效的阻燃剂，在保证PBT基体本身优异性能不受影响的前提下，提高PBT材料的阻燃性能。纳米粒子具有独特的纳米效应，对聚合物材料的阻燃效率有独特的提升作用。本文选用纳米级三氧化二锑（nano-Sb2O3）、微米级三氧化二锑（micro-Sb2O3）和溴化聚苯乙烯（BPS）作为阻燃剂，通过高能球磨法将材料混合均匀，经熔融挤出与注塑成型的方法制成不同配料比的nano-Sb2O3/BPS-PBT复合材料样条和micro-Sb2O3/BPS-PBT复合材料样条。通过热稳定性测试、燃烧性能测试、力学性能测试等检测，寻找使PBT阻燃性能和力学性能最佳的配料比，同时探究Sb2O3和BPS的阻燃机理，分析nano-Sb2O3和micro-Sb2O3的不同阻燃效果，并用热分解动力学对nano-Sb2O3/BPS-PBT阻燃复合材料的热分解过程进行分析。主要研究工作如下： （1）制取nano-Sb2O3粉末并对其进行改性。制取不同配料比的nano-Sb2O3/BPS-PBT复合材料，并对所制样条进行LOI（极限氧指数）测试和UL94（垂直燃烧）测试，发现当BPS含量为10wt.%时，加入nano-Sb2O3对PBT基复合材料的阻燃性能有明显改善，当nano-Sb2O3含量为5wt.%时，PBT基复合材料的LOI为28.3%，UL94为V-0级，达到难燃等级，且力学性能高于纯PBT材料。 （2）对nano-Sb2O3/BPS-PBT复合材料进行深入检测分析，发现nano-Sb2O3使PBT材料的分解温度降低、热释放速率减慢、热释放量减少，且这种作用随着nano-Sb2O3含量的增加而增强。Nano-Sb2O3对PBT材料的成炭有积极作用，随着nano-Sb2O3含量的增加，形成的炭层更加致密，残留物质的质量更高。 （3）对比含有相同质量分数的nano-Sb2O3和micro-Sb2O3对PBT的不同阻燃效果，发现nano-Sb2O3在降低PBT材料热释放中的作用远大于micro-Sb2O3，micro-Sb2O3/BPS-PBT复合材料的总热释放量是nano-Sb2O3/BPS-PBT复合材料的4倍以上，micro-Sb2O3/BPS-PBT复合材料的总烟雾释放量是nano-Sb2O3/BPS-PBT复合材料的1.7倍以上。Nano-Sb2O3/BPS-PBT复合材料形成的炭层也比micro-Sb2O3/BPS-PBT复合材料的炭层更加致密。 （4）通过非等温热重法研究PBT及PBT基复合材料的热分解动力学，利用Kissinger法、Flynn-Wall-Ozawa法和Friedman法计算PBT和PBT基复合材料的动力学参数，发现在热分解过程中PBT基复合材料的活化能高于纯PBT材料的活化能，PBT基复合材料在热降解过程中需要更多能量。Nano-Sb2O3和BPS对PBT的主要热分解方式改变不大，PBT和PBT基复合材料的热降解过程都可用Avarami-Erofeyev模型（A1）来模拟。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 聚对苯二甲酸丁二醇酯的概述

1.2.1 PBT的结构性能

1.2.2 PBT的发展现状

1.3 PBT的阻燃改性

1.3.1 磷系阻燃剂

1.3.2 膨胀型阻燃剂

1.3.3 卤系阻燃剂

1.4 阻燃聚合物纳米复合材料的研究现状

1.5 本课题研究内容

1.5.1 研究目的与意义

1.5.2 主要研究内容

1.5.3 实验流程

1.5.4 研究的创新点

第2章 Nano-Sb2O3/BPS-PBT复合材料阻燃性能的研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验原料及设备

2.2.2 试样的制备

2.2.3 试样的表征

2.3 结果分析与讨论

2.3.1 阻燃性能分析

2.3.2 热稳定性分析

2.3.3 力学性能分析

2.4 本章小结

第3章 Micro-Sb2O3与nano-Sb2O3阻燃效果的对比

3.1 引言

3.2 实验

3.2.1 实验原料及设备

3.2.2 试样的制备

3.2.3 试样的表征

3.3 结果与分析

3.3.1 热稳定性分析

3.3.2 阻燃性能分析

3.3.3 力学性能分析

3.4 本章小结

第4章 PBT和PBT阻燃复合材料的热分解动力学分析

4.1 引言

4.2 实验

4.2.1 实验原料和设备

4.2.2 试样的表征

4.2.3 实验的理论

4.3 结果与讨论

4.3.1 热重分析

4.3.2 热分解动力学分析

4.3.3 分解模式

4.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的论文