阻燃功能化蒙脱土纳米粒子制备及其在聚乙烯醇中的应用研究

摘要

随着人们对环保要求的日益提高，蒙脱土作为一种无卤、低烟、价格低廉且综合性能优异的层状阻燃纳米协效剂，受到大众的广泛青睐。然而这类纳米粒子在使用时与聚合物基体相容性较差，且阻燃效率相对较低，因此开发制备新型的阻燃功能化蒙脱土纳米粒子并应用于聚合物中具有重要的意义。
　　本文以二氯磷酸苯酯和γ-氨丙基三乙氧基硅烷为原料，合成了一种新型的集P、N、Si阻燃元素于一体的阻燃剂——苯氧基-双-(三乙氧基硅丙基)磷酰胺（BTSP）。利用FTIR、1H NMR及31P NMR对阻燃剂BTSP的结构进行表征；通过考察反应溶剂、温度、时间、投料比和缚酸剂条件，确定了BTSP的最佳合成工艺条件；通过热重测试（TGA）研究表明，BTSP的初始分解温度为150℃，600℃残炭为14.6％。
　　将上述阻燃剂BTSP及实验室合成的阻燃剂双-(二苯基磷基)-三乙氧基硅丙基磷酰胺（PNP）对钠基蒙脱土进行表面及层间改性，制备了两种体系的阻燃功能化蒙脱土纳米粒子MMT-BTSP、MMT-PNP。利用FTIR、XRD及TEM对改性蒙脱土的结构进行研究，表明阻燃剂BTSP、PNP成功插层改性到蒙脱土层间；通过考察投料比、反应时间、温度和pH值条件，确定了两种改性蒙脱土的最优制备工艺条件；通过热重测试表明MMT-BTSP及MMT-PNP在800℃残炭可分别达84.9%、83.6%，略低于钠基蒙脱土（89.3%），但初始分解温度得到较大提高。
　　将MMT-BTSP、MMT-PNP应用于聚乙烯醇（PVA），制备两种PVA/阻燃功能化MMT纳米复合材料PVA/MMT-BTSP及PVA/MMT-PNP。利用XRD研究了PVA/MMT薄膜纳米复合材料的结构，表明PVA分子链插层到蒙脱土层间；热重测试结果表明，改性蒙脱土的加入可使复合材料700℃残炭显著提高，说明PVA材料的热稳定性得到提高；微型量热及氧指数测试结果表明，改性蒙脱土的加入显著降低了复合材料的热容值HRC、热释放速率峰值PHRR，提高了氧指数LOI，说明PVA材料的阻燃性能得到改善，但因添加量少导致PVA阻燃性能提升不显著；透光性测试结果表明，改性蒙脱土的加入降低了复合材料的光透过率，但仍具有较好的透光性能；力学性能测试表明，改性蒙脱土可使PVA复合材料的拉伸强度显著提高，断裂伸长率显著下降。
　　将双羟基磷氮型阻燃剂N，N′-双(2-羟乙基)磷酸二乙酯（DEPA）与改性蒙脱土复配，制备了两种协效阻燃PVA/阻燃功能化MMT纳米复合材料PVA/DEPA/MMT-BTSP、PVA/DEPA/MMT-PNP。热重测试结果表明，DEPA与MMT可协同促进PVA基体成炭，提高其热稳定性；MCC及LOI测试表明，DEPA与MMT可形成协效阻燃体系，使PVA复合材料的LOI达26.0%以上，显著提高PVA材料的阻燃性能；力学性能测试结果表明，DEPA的加入使PVA/DEPA材料的拉伸强度降低，断裂伸长率提高；而PVA/DEPA/MMT纳米复合材料较PVA/DEPA拉伸强度提高，断裂伸长率降低，MMT对聚合物基体具有增强作用。