新型磷氮阻燃剂的合成及膨胀阻燃LDPE和EVA的应用研究

摘要

低密度聚乙烯(LDPE)和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)是性能优良和用途广泛的高分子材料，但是由于它们容易起火燃烧限制其在各个领域的应用。普遍的方法是采用卤素化合物进行阻燃，尽管阻燃效果较好，但是由于燃烧过程中释放出有毒和腐蚀性气体而引起环保问题的争议。环保友好、无卤和高效的膨胀阻燃剂成为替代卤素阻燃剂的重要品种之一。近年来，膨胀阻燃剂已经成为阻燃剂研发领域的热门课题。
　　本文采用四羟甲基硫酸磷(THPS)和尿素为原料，合成了一种新型磷氮阻燃剂四羟甲基硫酸磷-尿素齐聚物(THPSU)，采用磷钼酸喹啉重量法测得磷含量为14.28％。采用FTIR、13C-NMR、31P-NMR、XPS对THPSU进行结构表征。通过热重分析(TGA)研究了合成阻燃剂的热稳定性和成炭性能，测试结果表明，在氮气条件下，阻燃剂的起始热分解(1 wt％)为178℃，在700℃时残炭量为28.0 wt％，显示了较好的热稳定性和成炭性能，能满足一些通用塑料（如EVA、LDPE等）的加工要求。
　　将THPSU与聚磷酸铵(APP)及阻燃助剂复配形成膨胀阻燃体系(IFR)并应用于LDPE的阻燃。通过极限氧指数(LOI)和UL-94垂直燃烧研究材料的阻燃性能，当IFR的添加量为32 wt％时，厚度为3.2 mm的样条通过UL-94V-0级，LOI值为29.0％。通过锥形量热仪(CONE)研究了阻燃LDPE的燃烧行为，测试结果表明，IFR的加入使得阻燃LDPE材料的点燃时间(TTI)、热释放速率（HRR）、总热释放量（THR）和质量损失速率(MLR)都得到了大幅度的下降。通过扫描电镜(SEM)对CONE测试后的残炭形貌进行了表征，测试结果表明，燃烧后材料的表面形成了均一致密的炭层，对材料起到很好的保护作用，从而提高了材料的阻燃性能。采用TGA研究了阻燃材料的热降解行为，IFR的加入提高了材料的起始热分解温度和成炭性能。通过拉伸、弯曲性能研究了阻燃LDPE的力学性能。与纯LDPE相比，IFR添加量为32 wt％时，材料的拉伸强度下降了3.2 MPa，弯曲强度提高了1.5 MPa，阻燃剂的加入对材料的力学性能影响不大。通过在70℃/168 h的水煮测试研究了阻燃LDPE的耐水性能，测试结果表明，阻燃LDPE材料的阻燃剂抽出率为0.2 wt％，表现出较好的耐水性能。
　　同时，将THPSU与APP及阻燃助剂复配成IFR并应用于EVA的阻燃研究。研究表明，当APP和THPSU的质量比为2∶1时， EVA具有最好的阻燃性能，当添加量为28 wt％时，3.2 mm厚度的阻燃EVA样条通过UL-94V-0级测试，无熔滴出现，LOI值为29.0％。CONE测试研究表明，IFR的加入使得阻燃EVA的TTI、PHRR、THR、SPR和MLR数值得到了较大幅度的下降。TGA测试结果表明，IFR的加入提高了材料的热稳定性和成炭性能。CONE测试后炭层的SEM测试表明，材料在燃烧后形成了均一致密的炭层，对下层的基体材料起到了很好的保护作用。通过对残余炭层的组分分析表明，燃烧后炭层主要由聚芳烃和磷酸类的物质组成。与纯EVA相比，IFR的加入降低了材料的力学性能。耐水性测试表明膨胀阻燃EVA的阻燃剂抽出率为4.53 wt％，与阻燃 LDPE的耐水性相比，由于EVA材料自身结构不耐水煮，导致阻燃剂的抽出率较高。

目录

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 阻燃剂的发展现状

1．2．1 阻燃剂的概述

1．2．2 卤系阻燃剂

1．2．3 无机系阻燃剂

1．2．4 膨胀阻燃体系

1．3 LDPE和EVA的膨胀阻燃研究

1．3．1 LDPE的燃烧和膨胀阻燃研究

1．3．2 EVA的降解行为和膨胀阻燃研究

1．4 本课题的研究内容及意义

2 阻燃剂THPSU的合成及表征

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验药品与仪器

2．2．2 合成路线及方法

2．2．3 结构表征与性能测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 THPSU中磷含量的测定

2．3．2 傅立叶红外光谱(FTIR)分析

2．3．3 固体核磁(NMR)分析

2．3．4 X射线光电子能谱(XPS)分析

2．3．5 热重(TG)分析

2．4 本章小结

3 膨胀阻燃LDPE材料的研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验用原材料和仪器设备

3．2．2 膨胀阻燃LDPE材料的制备

3．2．3 膨胀阻燃LDPE材料性能测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 膨胀阻燃LDPE材料的阻燃性能研究

3．3．2 膨胀阻燃LDPE材料的热降解行为研究

3．3．3 膨胀阻燃LDPE材料的力学性能研究

3．3．4 膨胀阻燃LDPE材料的耐水性能研究

3．4 本章小结

4 膨胀阻燃EVA材料的研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验用原材料和仪器设备

4．2．2 膨胀阻燃EVA材料的制备

4．2．3 膨胀阻燃EVA材料残炭的制备

4．2．4 膨胀阻燃LDPE材料的性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 膨胀阻燃EVA材料的阻燃性能研究

4．3．2 膨胀阻燃EVA材料的热降解行为研究

4．3．3 膨胀阻燃EVA材料阻燃机理

4．3．4 膨胀阻燃EVA材料的力学性能研究

4．3．5 膨胀阻燃EVA材料的耐水性能研究

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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