绿色阻燃材料的催化成炭行为研究

摘要

本文以多金属氧酸盐(POM)和室温离子液体(IL)为单体，合成出三种金属氧酸盐离子液体(PILs)无机-有机杂化材料—[BMIm]3PW(PIL1)、[BMIm]3PMo(PIL2)和[BMIm]4SiW(PIL3)。将三种PILs用于聚丙烯/膨胀阻燃剂体系(PP/IFR)以改善其阻燃效率，所用IFR为质量比3∶1的聚磷酸铵(APP)和季戊四醇(PER)。对PILs的结构分析表明，PILs结构中出现了无机部分的Keggin结构和有机部分的咪唑结构，且由于有机部分的引入，POM结构中附着的结晶水消失，这说明成功制备了PILs。对PP/IFR/PILs复合材料的阻燃性能和热性能进行研究，发现PILs的出现对PP/IFR复合材料的阻燃性能有很大的影响。三种PILs在PP复合材料的阻燃性能所体现的协效作用能力排序为PIL2＞PIL1＞PIL3。其中，含0.5wt％PIL2和14.5wt％IFR的PP复合材料极限氧指数(LOI)高达28.0，并能获得UL-94Ⅴ-0级别，且测试过程无溶融滴落现象，而含15wt％IFR的PP复合材料氧指数仅为23.7，也无法获得UL-94级别。PILs还促进了IFR的成炭反应并提高了PP复合材料的热稳定性。对残炭的形态和结构进行分析，以阐明其成炭及阻燃机理。研究表明，PIL2促进了APP与PER之间的反应，提高了材料在燃烧过程中炭富集程度和抗氧化能力，促使更多的N元素凝聚在残炭中，最终加速了整个体系成炭反应过程，使其形成致密且连续的膨胀炭层，这是材料获得良好阻燃性能的关键所在。虽然PIL1和PIL3也有促进成炭反应的作用，但是其促进PP/IFR体系分解的作用远大于其促进体系成炭的作用，因而在燃烧过程中与PP/IFR匹配不佳，故成炭协效作用不佳，因而对阻燃性能无大的贡献。通过本文的研究，构建了一个以传统IFR为主阻燃剂，PIL2为协效剂的高效阻燃PP的复合体系，对绿色高效阻燃材料的开发具有重要的意义。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 聚合物的燃烧及经典燃烧机理

1．3 聚合物阻燃机理

1．4 阻燃剂的概述及发展趋势

1．4．1 阻燃剂的概述

1．4．2 阻燃剂的发展趋势

1．5 膨胀阻燃体系

1．5．1 化学膨胀型阻燃体系的基础与应用

1．5．2 化学膨胀阻燃剂的阻燃机理

1．5．3 膨胀型阻燃剂的不足与应对策略

1．6 催化协效阻燃技术

1．7 本课题的提出及主要研究内容

1．7．1 本课题的提出

1．7．2 本文的研究内容

第二章 多金属氧酸盐离子液体的制备与表征

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验材料

2．2．2 PILs的合成

2．2．3 分析测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 FT-IR分析

2．3．2 NMR分析

2．3．3 DSC分析

2．3．4 TGA分析

2．4 本章小结

第三章 PP／IFR／PIL复合材料阻燃性能研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料

3．2．2 PP复合物的制备

3．2．3 分析测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 LOI与UL-94分析

3．3．2 TGA分析

3．4 本章小结

第四章 成炭机理分析

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料

4．2．2 PP复合物的制备

4．2．3 分析测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 PIL各组分对LOI和UL-94的影响

4．3．2 TGA分析

4．3．3 Cone分析

4．3．4 SEM与XPS分析

4．3．5 TG-IR分析

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

致谢

附录 (攻读硕士期间发表的论文)

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