蒙脱土纳米复合物与镁盐晶须复配阻燃聚丙烯的研究

摘要

聚丙烯（PP）是一种综合性能优异的通用塑料，但由于易燃烧，大大限制了其应用范围。含卤阻燃剂具有优良的阻燃性能，曾被广泛应用，但在发生火灾时，含卤阻燃材料会产生大量的烟雾和有毒气体，造成“二次危害”，所以研究无卤阻燃PP非常必要。在PP的无卤阻燃体系中，金属氢氧化物是一类很具发展前景的阻燃剂。这类阻燃剂绿色环保，来源广泛，但因为阻燃效率低、添加量大，严重损害材料的力学性能和加工性能。因此，解决金属氢氧化物阻燃体系存在的弊病，对研究无卤阻燃PP有重大的意义。
　　 本文采用碱式硫酸镁晶须（MOS）、氢氧化镁（MH）和有机蒙脱土（OMMT）为阻燃剂，制备了阻燃性能良好的无卤阻燃PP；为了改善OMMT在基体树脂中的分散，分别通过熔融插层法和原位插层聚合法制得高OMMT含量的聚丙烯接枝马来酸酐/有机蒙脱土（PP-g-MAH/OMMT）纳米复合物和聚醋酸乙烯酯/有机蒙脱土（PVAc/OMMT）纳米复合物，并将其作为母料与PP、MOS等进一步熔融共混得到阻燃性能和力学性能良好的阻燃PP。并通过热重分析（TGA）、X射线衍射分析（XRD）、透射电镜（TEM）和锥形量热分析（CONE）等方法对阻燃材料进行了表征，主要研究内容和成果包括：
　　 第一，采用MOS作为阻燃剂制备了阻燃PP，并研究了OMMT对阻燃PP性能的影响。结果发现，MOS对PP有很好的增强阻燃作用，相同填充量下，MOS的阻燃效果优于MH；添加少量OMMT可以明显提高MOS的阻燃性能。当OMMT与MOS用量分别为3．0wt％和40．0wt％时，阻燃PP的LOI为29．0％，其热释放速率峰值（pHRR）和平均热释放速率（mHRR）分别为156．5 kW/㎡和112．9 kW/㎡，比PP分别下降了83．3％和72．1％。同时，其抑烟性能也大大改善，阻燃PP的生烟速率（SPR）和总生烟量速率（TSP）大幅下降。
　　 第二，通过熔融插层法制备了OMMT含量高达50．0wt％的PP-g-MAH/OMMT纳米复合物。XRD结果表明，PP-g-MAH/OMMT中OMMT的层间距由2．64nm增大至3．74nm，形成插层型PP-g-MAH/OMMT纳米复合物；将其作为母料与PP、MOS进一步熔融共混，研究发现，由于OMMT片层的分散性得到改善，母料法比直接法制备的阻燃PP有更好的阻燃性能和力学性能，当OMMT和MOS的用量分别为3．0wt％和40．0wt％时，直接法阻燃PP的pHRR和mHRR分别为228．8 kW/㎡和132．7 kW/㎡，而母料法阻燃PP的pHRR和mHRR更低至163．7 kW/㎡和117．9 kW/㎡。
　　 第三，通过原位插层聚合法制得OMMT含量最高达50．0wt％的PVAc/OMMT纳米复合物。XRD结果表明，PVAc/OMMT纳米复合物中OMMT层间距从2．64nm增大至3．84nm，形成插层型PVAc/OMMT纳米复合物；并将其作为母料与PP进一步熔融共混制备了PP/OMMT。比较了母料法和直接法制备阻燃PP的性能，结果发现，母料法比直接法更具优势，母料法制备阻燃PP的pHRR为193．7 kW/㎡，比基体下降了79．1％；与此同时，其总释放热（THR）、烟释放速率（SPR）和总生烟量（TSP）等均大幅下降，阻燃效果显著。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪 论

1.1 前言

1.2 聚丙烯的燃烧及阻燃

1.2.1 聚丙烯的燃烧

1.2.2 聚丙烯的阻燃

1.3 聚丙烯无卤阻燃体系的研究进展

1.3.1 金属氢氧化物

1.3.2 磷系阻燃剂

1.3.3 氮系阻燃剂

1.3.4 膨胀型阻燃剂

1.3.5 有机硅系阻燃剂

1.3.6 聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料

1.3.7 其他阻燃方法

1.4 聚丙烯无卤阻燃体系的发展方向

1.4.1 无机阻燃剂的纳米化和表面改性

1.4.2 新型膨胀阻燃体系的开发

1.4.3 协同阻燃体系的开发

1.5 本课题的目的意义、主要研究内容、特色与创新之处

第二章 有机蒙脱土/碱式硫酸镁晶须阻燃PP的制备与性能

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 主要原料

2.2.2 仪器与设备

2.2.3 试样制备

2.2.4 测试与表征

2.3 结果与讨论

2.3.1 MOS和MH用量对PP性能的影响

2.3.2 OMMT用量对阻燃PP性能的影响

2.3.3 PP-g-MAH用量对阻燃PP性能的影响

2.3.4 阻燃PP的锥形量热分析

2.3.5 TGA分析

2.4 本章小结

第三章 熔融插层法制备PP-g-MAH/OMMT纳米复合物及其阻燃PP的研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 主要原料

3.2.2 仪器与设备

3.2.3 试样制备

3.2.4 测试与表征

3.3 结果与讨论

3.3.1 PP-g-MAH/OMMT纳米复合物XRD分析

3.3.2 PP-g-MAH/OMMT纳米复合物对阻燃PP性能的影响

3.3.3 阻燃PP的XRD和TEM分析

3.3.4 阻燃PP的锥形量热分析

3.4 本章小结

第四章 原位聚合法制备PVAc/OMMT纳米复合物及其阻燃PP的研究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.2.1 主要原料

4.2.2 仪器与设备

4.2.3 试样制备

4.2.4 测试与表征

4.3 结果与讨论

4.3.1 PVAc/OMMT纳米复合物的表征

4.3.2 PVAc/OMMT纳米复合物对PP性能的影响

4.3.3 PP/OMMT的XRD分析

4.3.4 MH用量对PP/OMMT性能的影响

4.3.5 阻燃PP的锥形量热分析

4.3.6 母料法与直接法制备阻燃PP的性能比较

4.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致 谢