环氧树脂/层状过渡金属化合物纳米复合材料阻燃性能研究

摘要

聚合物材料在各行各业得到广泛的应用，但是很多聚合物是易于燃烧的，燃烧时释放大量的热和有毒烟气，不仅会造成严重的财产损失，还会给人们的生命和环境带来极大威胁，其中环氧树脂（epoxy resin，简称EP）是应用较多的一类聚合物高分子材料，其易于燃烧的特点极大地限制了它的应用。本文结合国内外研究现状和本课题组的研究工作，对聚合物/层状化合物纳米复合阻燃体系以及过渡金属阻燃技术进行了综述，认为将层状化合物的纳米效应、过渡金属的催化成炭作用以及含磷化合物的阻燃作用相结合有望成为聚合物材料的新型阻燃技术。基于此，本文设计并合成了含有不同过渡金属元素的蒙脱土（montmorillonite，简称MMT），并用不同的方法对其进行了插层改性；为了进一步增强阻燃效果，采用溶剂热法合成了含有Cu和P元素的层状金属有机化合物苯基磷酸铜（copper phenylphosphate，简称CuPP），研究它们对EP的热稳定性、阻燃性、动态热力学以及力学性能的影响，并探讨其阻燃机制。主要内容如下： （1）通过水热法合成铁蒙脱土（Fe-MMT），水解缩合法合成阳离子型的氯化铵丙基笼型寡聚倍半硅氧烷（cationic ammonium chloride propyl polyhedral oligomeric silsesquioxane，简称OAPOSS），并用OAPOSS插层改性Fe-MMT，形成OAPOSS改性的Fe-MMT（OAPOSS-FeOMT），用于阻燃EP。结果表明， OAPOSS-FeOMT在EP中分散良好，形成了插层-剥离结构；促进成炭，增加聚合物在高温下的热稳定性能；复合材料极限氧指数（limiting oxygen index，简称LOI）提高，垂直燃烧（vertical burning test，简称UL-94）达到V-1级别，阻燃抑烟性能得到改善；一定程度上也改善了EP复合材料的动态热力学性能。 （2）通过水热法合成铁铜蒙脱土（FeCu-MMT），并用十六烷基三甲基溴化铵（cetyltrimethylammonium bromide，简称CTAB）和Fe聚阳离子复合插层改性FeCu-MMT，形成复合改性的FeCu-MMT（m-FeCuOMT），用于阻燃EP。结果表明，m-FeCuOMT在EP中分散良好，形成了插层-剥离结构；促进成炭，增加聚合物在高温下的热稳定性能，而且与含磷的9, 10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物 （9,10-dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10-oxide，简称DOPO）具有协效增加成炭的作用；0.5 wt%m-FeCuOMT即可使得复合材料LOI提高到31.7%，UL-94达到V-1级别，阻燃性能得到改善，与DOPO协效可通过UL-94 V-0级别；m-FeCuOMT和DOPO对于改善EP复合材料的力学性能呈现出一定协效作用。与前一章体系相比，解决了阻燃剂添加量大和复合材料阻燃级别低的问题，但是抑烟性能不好，这对于火灾中人员的逃生是不利的。 （3）通过溶剂热法合成了同时含有Cu和P元素的CuPP，并用于阻燃EP。结果表明，CuPP具有非常优异的凝聚相催化成炭效果，700℃下EP/8 wt%CuPP的残炭量高达30.9 wt%；能够显著提高EP的LOI值，并且2 wt%的添加量就可使EP通过UL-94 V-1级别，显著地降低热释放速率（heat release rate，简称HRR）、总热释放量（total heat release，简称THR）、生烟速率（smoke production rate，简称SPR）、总烟气释放量（total smoke production，简称TSP）、CO释放量（CO production，简称COP）以及CO2释放量（CO2 production，简称CO2P）值；并有效改善动态热力学性能。与前两章体系相比，该体系既解决了添加量大，阻燃级别不高的问题，同时主要表现为凝聚相阻燃机制，有效提高抑烟性能，从而提高火灾安全性能。

目录

第一个书签之前

摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 环氧树脂

1.2.1 环氧树脂的概述

1.2.2 环氧树脂的阻燃改性

1.3 聚合物/层状化合物纳米复合材料研究进展

1.3.1 聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料

1.3.2 聚合物/层状双氢氧化物纳米复合材料

1.3.3 聚合物/层状金属磷酸盐纳米复合材料

1.3.4 聚合物/氧化石墨纳米复合材料

1.3.5 层状化合物阻燃聚合物存在的不足

1.4 过渡金属及其化合物对聚合物阻燃性能研究进展

1.5 本论文研究意义、内容及技术路线图

1.5.1 本论文的研究目的及意义

1.5.2 本论文的主要内容

1.5.3 本论文的技术路线图

第二章 有机改性铁蒙脱土对环氧树脂阻燃性能影响

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 实验原料及仪器

2.2.2 OAPOSS的合成及其改性铁蒙脱土

2.2.3 EP/OAPOSS-FeOMT纳米复合材料的制备

2.2.4 结构表征与性能测试

2.3 结果与讨论

2.3.1 OAPOSS、Fe-MMT及OAPOSS改性铁蒙脱土的结构与性能

2.3.2 EP/OAPOSS-FeOMT纳米复合材料的结构与形貌

2.3.3 EP/OAPOSS-FeOMT纳米复合材料的热性能

2.3.4 EP/OAPOSS-FeOMT纳米复合材料的阻燃性能

2.3.5 EP/OAPOSS-FeOMT纳米复合材料的阻燃机理

2.3.6 EP/OAPOSS-FeOMT纳米复合材料的动态热力学性能

2.4 本章小结

第三章 有机改性铁铜蒙脱土对环氧树脂阻燃性能影响

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 实验原料及仪器

3.2.2 FeCu-MMT的合成及其改性

3.2.3 EP/改性FeCu-MMT纳米复合材料的制备

3.2.4 结构表征与性能测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 FeCu-MMT和m-FeCuOMT的结构与性能

3.3.2 EP/m-FeCuOMT纳米复合材料的结构与形貌

3.3.3 EP/m-FeCuOMT纳米复合材料的热性能

3.3.4 EP/m-FeCuOMT纳米复合材料的阻燃性能

3.3.5 EP/m-FeCuOMT纳米复合材料的阻燃机理

3.3.6 EP/m-FeCuOMT纳米复合材料的力学性能

3.4 本章小结

第四章 苯基磷酸铜对环氧树脂阻燃性能影响

4.1 前言

4.2 实验部分

4.2.1 实验原料及仪器

4.2.2 层状CuPP的合成

4.2.3 EP/CuPP纳米复合材料的制备

4.2.4 结构表征与性能测试

4.3 结果与讨论

4.3.1 层状CuPP的结构与性能

4.3.2 EP/CuPP纳米复合材料的结构

4.3.3 EP/CuPP纳米复合材料的热性能

4.3.4 EP/CuPP纳米复合材料的阻燃性能

4.3.5 EP/CuPP纳米复合材料的阻燃机理

4.3.6 EP/CuPP纳米复合材料的动态热力学性能

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

攻读硕士期间科研成果