成炭剂合成及对连续玻纤增强聚丙烯复合材料的阻燃

摘要

复合材料因其具有高强度、高模量、质量轻的特点在各个领域中被广泛应用，尤其在航空航天、航海舰船等军事领域的应用日新月异。本文以连续纤维增强聚丙烯复合材料在实际应用中的问题为背景，研究了连续玻纤增强聚丙烯的阻燃。 首先，本文以季戊四醇、三氯氧磷、乙腈、三聚氰胺等为主要原料，合成了一种大分子成炭剂聚（4,4-二氨基二苯甲烷-1,3,5-三嗪-间二环季戊四醇磷酸酯）（PDTBP），并将其与聚磷酸盐（APP，n≥1000）复配成膨胀型阻燃剂（IFR）。运用红外（FTIR）、电子扫描显微镜（SEM）和热重分析（TGA）对其进行了结构分析和性能表征。结果显示：PDTBP的最佳合成方法为以乙腈做溶剂，PEPA与三聚氯氰的反应温度和加入DDM后的反应温度分别为45?C和50?C，缚酸剂滴加速度为2秒每滴（2s/d）；在该条件下合成的PDTBP纯度和产率均较高。将PDTBP与APP以m(PDTBP):m(APP)=1∶2比例复配得到的膨胀阻燃剂IFR，具有优异的热稳定性和成炭性。 其次，将IFR与聚丙烯颗粒在熔融状态下混合制备阻燃PP，利用万能试验机、热重分析仪、极限氧指数仪、垂直燃烧仪和锥形量热仪分别对其力学性能、耐热性和阻燃性能进行研究。结果显示：IFR的含量对PP的拉伸强度和弯曲强度影响，均为先增加后减小；对冲击强度的影响不大；IFR的加入使基体的热稳定性显著提高；随着IFR含量的增加，阻燃PP极限氧指数增加显著；垂直燃烧等级上升；PP的热释放速率、总热释放量、烟生成速率和总烟生成量降低显著。其燃烧机理为，阻燃剂在成炭过程中发生了大量的化学反应，释放出水，有机物减少，形成磷酸酯和含碳化合物的炭层。该炭层可有效阻隔基体与外界氧和热量的传递，从而提高材料的阻燃性能。 最后，将IFR运用在实验室自主研发的300mm幅宽的连续玻纤增强聚丙烯复合材料生产线上，制备阻燃预浸料IFR/GF/PP。利用双钢带压机将预浸料压制成不同厚度的层合板，研究其力学、耐水及阻燃性能。结果表明：IFR对连续玻纤增强聚丙烯复合材料的力学性能影响较小；该阻燃剂的析出率较小；阻燃剂耐水性较好；在对IFR/GF/PP复合材料进行垂直燃烧测试中发现，该材料无法通过UL-94等级，但IFR的加入可以显著减缓材料的燃烧趋势。利用SEM观察IFR/GF/PP锥形量热测试后残存物，发现阻燃剂可以在玻纤表面形成一层连续、致密的炭层，该炭层可有效消除纤维在复合材料中的“灯芯效应”。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 PP阻燃研究进展

1.1.1 PP的可燃性与阻燃

1.1.2 PP 常见的阻燃剂及阻燃机理

1.2 大分子成炭剂研究进展

1.3 连续纤维增强热塑性复合材料研究进展

1.3.1连续纤维增强树脂基复合材料研究进展

1.3.2展丝技术研究进展

1.3.3浸渍技术研究进展

1.4 本文研究意义及研究内容

1.4.1论文研究意义

1.4.2论文主要研究内容

第2章 膨胀型阻燃剂的合成与表征

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1实验原料

2.2.2实验仪器

2.2.3实验过程

2.3表征与测试

2.3.1FTIR表征

2.3.2 PDTBP热稳定测试

2.3.3 PDTBP与APP的复配

2.3.4 SEM表征

2.4结果与讨论

2.4.1中间体PEPA、PDTBP的化学结构

2.4.2 PDTBP的热稳定性

2.4.3 IFR元素分析

2.4.4复配IFR的成炭机理

2.5本章小结

第3章 阻燃 PP制备及性能研究

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1实验原料

3.2.2实验仪器

3.2.3实验过程

3.3测试与表征

3.3.1 SEM表征

3.3.2 阻燃PP力学性能测试

3.3.3 阻燃PP热稳定性测试

3.3.4 阻燃性能测试

3.4结果与分析

3.4.1阻燃PP的结构形貌与力学性能

3.4.2 阻燃PP的热稳定性

3.4.3 阻燃PP的阻燃性能

3.5阻燃PP的阻燃机理研究

3.6本章小结

第4章 阻燃GF/PP复合材料的制备及性能研究

4.1引言

4.2实验部分

4.2.1 实验原料

4.2.2实验仪器

4.2.3实验过程

4.3测试与表征

4.3.1 SEM表征

4.3.2 力学性能测试

4.3.3 耐水性测试

4.3.4 热失重测试

4.3.5 阻燃性能测试

4.4结果与讨论

4.4.1 IFR/GF/PP复合材料力学性能

4.4.2 IFR/GF/PP复合材料热稳定

4.4.3 IFR/GF/PP复合材料阻燃性

4.4.4 阻燃GF/PP复合材料耐水性

4.5 IFR/GF/PP复合材料阻燃机理解释

4.6本章小结

第5章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

致谢

参考文献

硕士期间发表论文