改性氢氧化镁/可膨胀石墨复配阻燃研究

摘要

氢氧化镁具有良好的阻燃、抑烟以及热稳定性能,是目前国内外重点开发与应用的一种新型无污染“绿色”阻燃剂。但是,目前氢氧化镁的添加量须达到55wt％及以上才具有较为理想的阻燃效果。由于氢氧化镁较大的添加量,导致基体材料聚乙烯(PE)等聚合物材料的力学性能及机械性能大幅降低,成为该阻燃剂在聚合物领域应用的重大技术瓶颈。因此,降低氢氧化镁阻燃剂在聚合物中的比例,提高材料体系的力学性能,是目前该领域攻克的技术难点。本文针对这一问题,通过氢氧化镁表面改性研究,提出了改性氢氧化镁和可膨胀石墨复配阻燃聚乙烯的方法。研究表明,当可膨胀石墨与改性氢氧化镁在总添加量为30wt％、复配比例为1∶0.5时,改性氢氧化镁/EG/PE材料体系的阻燃性能和力学性能较改性氢氧化镁/PE材料体系得到显著提高。
　　实验表明,最佳的改性条件是硬脂酸钠表面改性剂用量、改性时间、改性温度分别为3％、30min、85℃。通过FT-IR测试表明,经过改性后的氢氧化镁粉体,在2851.26cm-1和2920.53cm-1处分别出现了-CH2-的对称伸缩振动吸收峰及不对称伸缩振动吸收峰,证明氢氧化镁的改性成功。SEM测试结果显示,经过硬脂酸钠表面改性剂改性后,氢氧化镁表面的“亲水疏油”的性质得到极大改善,其自身的团聚现象得到明显降低,在PE中的相容性及分散性也得到显著的提高。将改性前后性能较好的氢氧化镁添加到聚乙烯中制备成氢氧化镁/PE体系,当氢氧化镁的添加量达到45wt％时,改性前后的氢氧化镁/PE体系的拉伸强度由纯PE的15.87MPa分别下降至8.73MPa与10.01MPa。随着改性氢氧化镁阻燃剂在PE中添加量的增加,材料体系的阻燃性能逐渐增大,当改性氢氧化镁的添加量达到45wt％时,氧指数为31vol％,达到垂直燃烧Ⅴ-0级别。而对于未改性的氢氧化镁,其添加量达到55％及以上时,才具有较好的阻燃效果。通过热重测试发现,添加改性氢氧化镁阻燃剂材料体系的最大热降解速率由纯PE的0.38％/℃降至0.19％/℃左右,分解后的残炭率由纯PE的2.31％提升至31.96％,达到了较好的阻燃效果。
　　通过改性氢氧化镁与可膨胀石墨(EG)复配测试结果表明,当改性氢氧化镁与EG总添加量为30wt％,且改性氢氧化镁与可膨胀石墨按照1∶0.5的比例进行复配时,氧指数为32vol％,达到了垂直燃烧Ⅴ-0级别。通过对复配材料体系的力学性能测试,在EG的含量由30wt％下降至20wt％的过程中,拉伸强度整体呈上升的趋势,在EG含量为20wt％时有最大拉伸强度(12.14MPa),当EG含量由20wt％下降至0％时,拉伸强度整体呈下降趋势。通过热重实验表明,EG的含量为20wt％时,材料体系燃烧后的残炭率达到了33.39％,最大热降解速率为0.18％/℃左右,残炭率比改性氢氧化镁/PE体系有明显提高。通过对改性氢氧化镁/EG/PE材料体系燃烧产物的SEM测试表明,燃烧后改性氢氧化镁/EG/PE材料体系的表面形成了具有一定厚度的、致密的“蠕虫状”残留炭层,加之氢氧化镁受热分解生成的耐火材料氧化镁,二者覆盖在材料体系的表面,阻燃性能更好。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 概述

1．2 聚烯烃材料的燃烧机理分析

1．3 阻燃剂的分类与基本要求

1．3．1 阻燃剂分类

1．3．2 阻燃剂的基本要求

1．4 氢氧化镁、可膨胀石墨阻燃剂的阻燃标准与优势

1．4．1 氢氧化镁的阻燃剂标准

1．4．2 氢氧化镁阻燃剂优势

1．4．3 可膨胀石墨阻燃剂优势

1．5 氢氧化镁的改性剂种类与改性方法

1．5．1 改性剂种类

1．5．2 氢氧化镁常用表面改性方法

1．6 氢氧化镁、可膨胀石墨的阻燃机理及研究进展和发展趋势

1．6．1 氢氧化镁阻燃机理

1．6．2 可膨胀石墨的阻燃机理

1．6．3 氢氧化镁、可膨胀石墨阻燃剂的研究现状

1．6．4 氢氧化镁／EG复配阻燃的研究现状

1．7 本文主要研究内容与研究意义

第2章 氢氧化镁的改性制备

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料和试剂

2．2．2 实验仪器

2．2．3 改性氢氧化镁的制备及改性工艺流程

2．2．4 性能测试与表征

2．3 结果和讨论

2．3．1 改性前后氢氧化镁的活化指数的测试

2．3．2 改性前后氢氧化镁的沉降体积

2．3．4 改性前后氢氧化镁的SEM分析

2．3．5 改性前后氢氧化镁的FT-IR分析

2．4 本章小结

第3章 改性氢氧化镁在聚乙烯中的应用

3．1 前言

3．1．1 塑料材料阻燃等级的划分

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验仪器

3．2．3 氢氧化镁／PE共混体系的制备

3．2．4 测试与表征方法

3．3 结果和讨论

3．3．1 改性前后的氢氧化镁／PE的氧指数分析

3．3．2 改性前后氢氧化镁／PE的SEM分析

3．3．3 改性前后氢氧化镁／PE的热重分析

3．3．4 氢氧化镁改性前后对材料机械力学性能的影响

3．4 本章小结

第4章 改性氢氧化镁和可膨胀石墨复配在聚乙烯中的应用

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 实验药品

4．2．2 测试与表征方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 改性氢氧化镁／EG的复配比例和氧指数的关系

4．3．2 改性氢氧化镁／EG／PE残炭形貌的SEM分析

4．3．3 改性氢氧化镁／EG／PE的热性能分析

4．3．4 改性氢氧化镁／EG／PE力学性能分析

4．3．5 改性氢氧化镁／EG协同阻燃机理

4．4 本章小结

结论和展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果