HIPS/OMMT复合材料在不同燃烧模式下的对火反应特性研究

摘要

本研究以高抗冲聚苯乙烯（HIPS）为主要研究对象，采用聚合物熔融插层的方法制备了HIPS/OMMT纳米复合材料。以纯HIPS和HIPS/OMMT纳米复合材料分别代表成炭聚合物和不成炭聚合物，对不同测试方法的特点进行了分析。分析表明不同测试方法所对应的燃烧模式不同。结合复合材料的阻燃机理讨论了材料特殊结构与不同燃烧条件的相互作用，来解释阻燃性能的差别与燃烧条件可能的关系。通过应用扫描电镜（SEM）和热重分析对炭渣的分析进一步解释了复合材料在不同燃烧模式下对火反应的不同。
　　 锥形量热仪试验、氧指数试验、水平垂直燃烧试验分别为三种不同的燃烧测试方法，都被广泛应用于材料阻燃性能的测试。本研究采用高速摄像仪，数据采集仪等试验手段分别分析了三种燃烧试验的燃烧环境、温度场、火焰传播、热传递等特点。分析表明，三种燃烧试验存在较大差异，属于不同的燃烧模式。本研究还构建了模型图来说明这些不同特点的燃烧模式对材料燃烧的不同作用方式。
　　 本研究进一步分析了HIPS/OMMT纳米复合材料在不同燃烧试验下的阻燃性能，考察了OMMT含量不同时对复合材料在三种燃烧试验下阻燃性能的不同影响。结果表明，在锥形量热仪试验下OMMT含量增加时复合材料阻燃性能明显提高；氧指数试验和水平垂直燃烧试验下OMMT的含量增加对材料的阻燃性能影响较小，阻燃效果不理想。通过扫描电镜（SEM）对HIPS/OMMT纳米复合材料在不同的燃烧试验下不同燃烧阶段的结构变化情况进行了观察研究。研究发现，在锥形量热仪燃烧模式下，插层复合材料从燃烧初期到燃烧结束蒙脱土片层的阻隔作用明显，不断形成了排列规整的炭层结构。氧指数燃烧试验和UL-94垂直燃烧试验下，样品正面受到蒙脱土的阻隔作用，内部裂解的气体沿着样品侧面的缝隙不断溢出，总体上不能发挥蒙脱土片层的阻隔作用使得材料阻燃效果较差。改变内部蒙脱土片层的取向后材料的反应特征进一步证明以上观点。NiO的加入只能改善复合材料在锥形量热仪试验的阻燃性能，在氧指数燃烧试验和UL-94燃烧试验下效果较差。对燃烧残留物的热重分析表明，在锥形量热仪燃烧模式下复合材料裂解完全，属于深度裂解燃烧。氧指数试验燃烧模式和UL-94试验燃烧模式下复合材料属于表面过火型的燃烧，裂解不完全。