聚乙烯醇用新型膨胀型阻燃剂的合成与应用及阻燃机理研究

摘要

聚乙烯醇(PvA)作为产量最大的水溶性高分子材料之一，因具有良好的成膜性、粘接力、机械性能和低毒性而被广泛应用于建筑、交通、家庭装饰等行业。然而它的极限氧指数很低极易燃烧，已不能适应相应领域越来越高的防火安全要求，因此提高聚乙烯醇的阻燃性便成为一个急需解决的重要课题。 现有的解决这一问题的方法仍然是通过添加阻燃剂来实现，然而，PVA的现用阻燃剂要么含有卤素，要么添加量很高。卤素阻燃剂不仅面临很大的环境问题而且要添加其它助剂，成本较高；而无机阻燃剂的阻燃效率都较低。因此，研制出PVA新的无卤阻燃体系成为本课题的主要任务。 本文从无卤阻燃聚乙烯醇和纺丝液、浆料需要水溶性出发，以氨水和2，2-二甲基1，3-丙二醇磷酸为原料合成了两种新型膨胀型阻燃剂2，2-二甲基1，3-丙二醇磷酸铵(PNOH)；同时还合成了一种新型的含有P、N、S三种阻燃元素的阻燃剂2，2-二甲基1，3-丙二醇磷酸磺胺(PSOH)并对它们的合成条件进行了研究；通过红外光谱、核磁共振等方法对合成的产物进行了结构表征。结果表明，PNOH与聚磷酸铵(APP)和有机金属络合物复配在PVA1799中使用时可以形成均一稳定的溶液，同时产品具有很好的阻燃性能。通过大量的实验证明，PSOH与APP互配在PVA1788体系中可以形成一种均一稳定的溶液，同时在CoSA作为催化协效剂时可以使PVA1788具有优异的阻燃性能。 研究了大量基于PNOH/APP、PSOH/APP和有机金属络合物的阻燃PVA配方。通过LOI和UL-94测试最终得到了两个阻燃性能较好的配方，85％PVA+14.5％WR.(7.5％PNOH+7％APP)+0.5％NiSAO和85％PVA+6.5％APP+7.0％PSOH+0.5％CoSA，氧指数值(LOD分别为34.2和37.1，同时二者均可达UL-94 V-0级。实验表明有机金属络合物与膨胀阻燃PVA之间存在着一定的协同作用。 TGA结果说明阻燃剂和有机金属络合物的加入使PVA的热降解行为发生了变化。不论是在空气中还是在氮气中，膨胀型阻燃PVA的热稳定性都提高了，而且最终的残炭量都大于纯PVA。采用TGA和SEM对PSOH的热稳定性和炭层结构进行分析，结果表明PSOH具有很高的热稳定性和很好的成炭效果。通过各组分热降解残余量的计算，发现实验值都比计算理论值高，表明膨胀型阻燃剂各组分间存在着协同阻燃的效果。 采用SEM、FTIR、XPS等分析测试方法，对膨胀型阻燃PVA和有机金属络合物的阻燃机理进行了研究。结果表明IFR-PVA/NiSAO在燃烧时都可以形成较好的膨胀炭层。P/C、O/C、N/C元素浓度比率的变化表明，有机金属络合物改变了成炭过程而使得阻燃性能提高。PSOH/APP膨胀型阻燃剂主要通过受热分解在表面生成多孔的致密膨胀炭层，起到隔绝热、氧及可燃性气体产物。 力学性能测试结果表明IFR-PVA/NiSAO的拉伸强度和断裂伸长率相比于纯的PVA都得到了提高，分别提高了14.9％和33.3％；PSOH/APP/CoSA的力学性能与纯的PVA差别不大。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2聚合物的阻燃与阻燃机理

1.2.1气相阻燃机理

1.2.2凝聚阻燃机理

1.3高聚物的燃烧与阻燃途径

1.4阻燃技术

1.4.1成炭阻燃作用

1.4.2膨胀阻燃作用

1.4.3抑制效应（捕捉自由基）

1.4.4转移效应

1.5聚乙烯醇阻燃的研究进展

1.5.1阻燃改性方法

1.5.2我国阻燃维纶的生产

1.5.3阻燃聚乙烯醇纤维的性质及用途

1.6金属催化阻燃

1.7本课题的研究意义与研究内容

第二章新型阻燃剂以及有机金属络合物的合成与表征

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1试剂

2.2.2 2-氧代-5，5-二甲基-1，3-二氧-2-磷杂环磷酸铵(PNOH)的合成

2.2.3阻燃剂2，2-二甲基1，3-丙二醇磷酸磺胺(PSOH)的合成

2.2.4乙酰丙酮(AcAc)类金属络合物的合成

2.2.5水杨醛(SA)类金属络合物的合成

2.2.6水杨醛肟(SAO)类金属络合物的合成

2.3结果与讨论

2.3.1 PNOH的合成条件

2.3.2 PNOH的结构及性能表征

2.3.3 PSOH的结构与性能表征

2.3.4对水杨醛肟(SAO)类金属络合物的红外表征

2.4小结

第三章聚乙烯醇1799的阻燃及热性能研究

3.1引言

3.1.1膨胀型阻燃PVA体系的构成思想

3.2实验部分

3.2.1主要原料

3.2.2测试样品的制备

3.2.3红外表征

3.2.4.氧指数的测定

3.2.5垂直燃烧测试分析

3.2.6热性能分析

3.2.7扫描电镜(SEM)

3.2.8力学性能实验

3.3结果与讨论

3.3.1阻燃PVA/PNOH/APP/金属络合物体系的阻燃性能研究

3.3.2阻燃PVA/PNOH/APP/金属络合物体系的热性能研究

3.3.3阻燃IFR-PVA金属络合物体系的热失重行为研究

3.4 阻燃PVA的力学性能

3.5小结

第四章聚乙烯醇1788的阻燃及热性能研究

4.1.引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.3.1阻燃PVA/PSOH/APP体系的阻燃性能研究

4.3.2阻燃PVA/PSOH/APP体系的热稳定性能研究

4.3.3 IFR-PVA的残炭红外分析

4.4 IFR在不同聚合度的PVA体系中的阻燃性能和热失重行为对比

4.5不同醇解度的阻燃PVA残炭的形貌分析

4.6力学性能的研究

4.7小结

第五章聚乙烯醇1799阻燃机理和金属络合物催化机理

5.1引言

5.1.1 X-射线光电子能谱(XPS)原理

5.1.2 XPS中的定量分析

5.2实验部分

5.2.1样品的制备

5.2.2扫描电镜(SEM)

5.2.3 X射线光电子能谱(XPS)

5.2.4傅立叶红外分析

5.3结果与讨论

5.3.1阻燃聚乙烯醇残炭的形貌分析

5.3.2阻燃聚乙烯醇残炭红外光谱分析

5.3.3 X射线光电子能谱分析

5.4膨胀型阻燃聚乙烯醇的阻燃机理

5.5小结

结束语

参考文献

在读期间科研成果简介

致谢