纳米石墨微片/聚苯乙烯阻燃材料制备及阻燃性能研究

摘要

聚苯乙烯(PS)及发泡聚苯乙烯(EPS)在诸多领域有着广泛的应用，如建筑保温、电气电子等。伴随着人们对防火安全的重视，PS和EPS的阻燃性能要求越来越高。无卤阻燃是复合材料阻燃处理的主要方向，其中膨胀阻燃剂(IFR)以阻燃效率高、环境友好的特点受到了极大地关注。近年来，研究者将纳米石墨微片(GNP)和膨胀阻燃剂复合应用于阻燃领域并取得了一定的有益效果，然而二者在同一体系协同阻燃效应阻燃机制的研究还不够深入。因此，研究GNP和IFR的协同阻燃效应，对降低阻燃剂用量，进而提高复合材料的阻燃性能具有重要意义。
　　本论文采用珠粒包覆法制备GNP/IFR/酚醛树脂(PF)/EPS阻燃泡沫材料，采用粉末复合法和熔融共混法制备GNP/IFR/PS阻燃复合材料，利用偏光显微镜(RPM)表征泡沫材料的泡孔尺寸，利用极限氧指数、水平垂直燃烧测试和锥形量热仪表征材料的燃烧性能，利用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)表征材料燃烧后炭层的形貌和组分。研究GNP与IFR之间的协效阻燃机制。
　　采用珠粒包覆法实现了GNP/IFR/PF/EPS阻燃泡沫材料的制备。对阻燃泡沫材料泡孔尺寸研究结果表明，包覆剂PF用量对泡沫材料的发泡性能产生显著影响，PF用量低于100phr时可确保阻燃泡沫材料的发泡性能。GNP/IFR/PF/EPS阻燃性能研究表明，IFR用量20phr、GNP用量8phr时表现出较好的协同阻燃效应，极限氧指数达到24.7;IFR用量40phr、GNP用量为4phr和8phr时表现出较好的协同阻燃效应，极限氧指数分别为25和25.5，水平燃烧达到HF-1级别。阻燃泡沫材料燃烧后炭层形貌结果表明，GNP的引入对阻燃泡沫材料的炭层致密性产生显著影响，GNP用量过高和过低时均不利于致密炭层的形成。这可能归因于GNP用量过低时，材料中阻燃包覆网络尚未构成，GNP用量过高时，导热性能引发烛芯效应。
　　采用粉末法分别实现了IFR/PS和GNP/IFR/PS阻燃复合材料的制备。IFR/PS复合材料阻燃性能研究结果表明，IFR用量为30wt.％，APP和PER比例为1∶1时可获得较佳阻燃性能的复合材料，极限氧指数达到37.3，垂直燃烧达到Ⅴ-0级。研究了GNP对复合材料阻燃性能的影响，研究结果表明GNP用量0.5wt.％、IFR用量25wt.％时，复合材料表现出较好的协同阻燃效应，复合材料的极限氧指数为36，垂直燃烧达到Ⅴ-0级，燃烧炭层致密稳定。

目录

声明

摘要

1．1 课题背景

1．2 聚苯乙烯阻燃剂简介

1．2．1 卤系阻燃剂

1．2．2 无机阻燃剂

1．2．3 磷系阻燃剂

1．2．5 膨胀阻燃剂

1．3 阻燃聚苯乙烯复合材料研究进展

1．3．1 阻燃聚苯乙烯发泡材料制备方法

1．3．2 阻燃聚苯乙烯非发泡材料制备方法

1．4 石墨烯、GNP协效阻燃的研究现状

1．5 研究内容及目的与意义

第2章 实验方案与研究方法

2．1 实验原料

2．2 实验仪器及设备

2．3 阻燃泡沫材料的制备

2．3．1 阻燃泡沫材料制备步骤

2．3．2 阻燃泡沫材料配方设计

2．3．3 阻燃泡沫材料技术路线

2．4 阻燃复合材料的制备

2．4．1 阻燃复合材料制备步骤

2．4．2 阻燃复合材料配方设计

2．4．3 阻燃复合材料技术路线

2．5 表征及测试方法

2．5．1 扫描电子显微镜

2．5．2 透反射偏光显微镜

2．5．3 极限氧指数

2．5．4 水平燃烧速率

2．5．5 垂直燃烧

2．5．6 锥形量热仪

2．6 本章小结

第3章 GNP／IFR／PF／EPS阻燃泡沫材料性能研究

3．1 PF对EPS泡沫材料性能的影响

3．1．1 PF对EPS发泡性能的影响

3．1．2 PF对EPS阻燃性能的影响

3．2 IFR对PF／EPS泡沫材料性能的影响

3．2．1 APP对PF／EPS发泡性能的影响

3．2．2 IFR对PF／EPS阻燃性能的影响

3．3 GNP对EPS阻燃性能的影响

3．3．1 GNP／PF／EPS极限氧指数

3．3．2 GNP／PF／EPS水平燃烧速率

3．3．3 GNP／PF／EPS燃烧残余物质量

3．4 GNP与IFR的协同阻燃效应

3．4．1 GNP／IFR／PF／EPS极限氧指数

3．4．2 GNP／IFR／PF／EPS水平燃烧

3．4．3 GNP／IFR／PF／EPS燃烧残余物质量

3．4．4 GNP／IFR／PF／EPS泡沫材料炭层分析

3．5 本章小结

第4章 GNP／IFR／PS复合材料的阻燃性能研究

4．1 IFR复配比例对聚苯乙烯阻燃性能的影响

4．1．1 APP／PER／PS复合材料的极限氧指数

4．1．2 APP／PER／PS复合材料的垂直燃烧

4．2 IFR用量对聚苯乙烯阻燃性能的影响

4．2．1 IFR／PS复合材料的极限氧指数

4．2．2 IFR／PS复合材料的垂直燃烧

4．3 GNP／IFR／PS阻燃复合材料的性能研究

4．3．1 GNP／IFR／PS复合材料的燃烧性能

4．3．2 GNP／IFR／PS复合材料燃烧后炭层形貌

4．4 GNP和IFR分布对协同阻燃效应的影响

4．4．1 GNP和IFR分布对复合材料的燃烧性能的影响

4．4．2 GNP和IFR分布对复合材料炭层形貌的影响

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果

致谢