黏土/甲基乙烯基硅橡胶可瓷化复合材料的制备及其热稳定性研究

摘要

可瓷化高分子复合材料作为一种新型的阻燃防火材料,在被动防火领域已获广泛应用,有望取代传统的防火材料。这种材料在火焰烧蚀条件下,低烟、无毒、无熔融滴落,可转变为坚硬的陶瓷体,保持原有的形状和尺寸不改变。结构完整的自支撑陶瓷体能有效的阻碍物质对流和热量传输,抑制材料内部物质挥发损耗的同时,阻隔外界热量向材料内部扩散,阻隔火焰的蔓延。加强可瓷化高分子复合材料的应用研究对推动防火材料的发展,提高技术水平有积极作用。
　　 本文以甲基乙烯基硅橡胶(MVMQ)为基体,改性黏土矿物粉末为填料,低熔点玻璃粉/硼酸为结构控制剂,过氧化苯甲酰为硅橡胶交联剂,采用直接共混法制备黏土/硅橡胶可瓷化复合材料。
　　 首先,采用氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)对黏土矿物粉末进行有机改性,通过正交实验法确定黏土粉末改性的最佳条件。采用吸光度法、渗透时间法和红外光谱法对改性效果进行表征。研究发现采用KH-550改性高岭土、云母和滑石的最佳用量分别为黏土粉末总重的2wt.％,3wt.％和3wt.％。最佳改性条件分别为:90℃,30min;100℃,50min和90℃,40min。然后,采用传统的熔体冷却法制备磷酸盐体系(P2O5-ZnO-B2O3,简称PZB)低熔点玻璃粉末。通过热机械分析法(TMA)、差示扫描量热法(DSC)和纽扣法确定该体系低熔点玻璃的软化温度范围为600～700℃。
　　 最后,采用直接共混法制备黏土/硅橡胶可瓷化复合材料。通过热分析技术(DSC-TG)、X射线衍射技术(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)等手段对样品的热稳定性及组织结构进行表征。研究结构控制剂种类、含量以及黏土矿物粉末(高岭土)对甲基乙烯基硅橡胶热稳定性的影响。实验结果表明:1)黏土矿物粉末可以改善硅橡胶的柔韧性和热稳定性,高温下能形成陶瓷骨架;2)以硼酸作为低熔点结构控制剂的复合物试样起始降解温度(T0.05)、峰值降解温度(Tmax)、物质残余量、以及明火点燃时间(TTI)和火焰持续时间分别为:108.5℃、500.0℃、48.68wt.％、29.08s和10.65s,具有比PZB玻璃粉末更好的优越性;3)10wt.％的PZB低熔点玻璃添加量,对复合材料热稳定性的改善最为明显。复合物的T0.05、Tmax和物质残余量分别为:260.4℃、409.6℃和50.82wt.％。4)黏土/硅橡胶可瓷化复合材料的瓷化机理主要是液相的桥连作用。

目录

文摘

英文文摘

第一章 文献综述

1.1 可瓷化高分子复合材料概述

1.1.1 国内外研究进展

1.1.2 特性及防火机理

1.1.3 制备方法

1.2 硅橡胶及其阻燃现状

1.2.1 硅橡胶概述

1.2.2 聚合物燃烧特性

1.2.3 硅橡胶阻燃现状

1.2.4 甲基乙烯基硅橡胶

1.3 层状硅酸盐概述

1.3.1 结构特征

1.3.2 改性方法

1.3.3 黏土在硅橡胶中的应用

1.4 低熔玻璃作为结构助剂在复合材料中的应用

1.5 本课题研究的意义和内容

1.5.1 意义

1.5.2 内容

第二章 层状硅酸盐的改性及表征

2.1 实验方法

2.2 表征方法

2.2.1 吸光度法

2.2.2 渗透时间法

2.2.3 红外光谱表征法

2.3 结果与讨论

2.3.1 硅烷偶联剂作用机理

2.3.2 改性效果表征

2.4 小结

第三章 低熔玻璃结构助剂的制备

3.1 实验方法

3.2 表征方法

3.2.1 热机械分析法

3.2.2 差热分析法

3.2.3 纽扣法

3.3 结果与讨论

3.4 小结

第四章 可瓷化复合材料的制备及其热行为研究

4.1 实验过程

4.1.1 提纯交联剂

4.1.2 制各样品

4.1.3 热解

4.2 表征方法

4.2.1 差示扫描量热-热重(DSC-TG)分析

4.2.2 X射线衍射(XRD)分析

4.2.3 扫描电子显微镜(SEM)分析

4.2.4 线性尺寸变化

4.2.5 火焰烧蚀试验

4.3 结果与讨论

4.3.1 试样配方

4.3.2 交联反应

4.3.3 甲基乙烯基硅橡胶(MVMQ)的分解

4.3.4 结构控制剂种类的影响

4.3.5 结构控制剂含量的影响

4.3.6 矿物填料的作用

4.3.7 瓷化机理

4.4 小结

第五章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要的研究成果