无卤阻燃聚丙烯/聚氨酯弹性体复合材料的形态结构与性能研究

摘要

聚丙烯(PP)作为一种重要的热塑性通用塑料，已广泛应用于家装、电子电气、汽车和电线电缆等工业。然而，PP的缺口冲击性能差，特别是低温冲击性能。因此人们致力于PP的改性技术研究，以追求强度和韧性兼具的PP复合材料。通常用到最为经济、有效和简单的方法是聚烯烃与弹性体共混，比较常用的弹性体有乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(Ethylene-co-vinyl acetate EVA)、热塑性聚氨酯弹性体(Thermoplasticpolyurethane，TPU)、三元乙丙橡胶(Ethylene-propylene-diene monomer, EPDM)、乙烯-辛烯共聚物(Poly(ethylene-co-octene)，POE)等。TPU具有优良的弹性、耐磨性等特点，将TPU与PP进行共混，不但可以改善PP的缺口冲击性能，还可以增强TPU的刚性，实现二者的优化互补。然而，聚合物材料因其分子式中含有碳、氢、氧等元素，都具有可燃性，极大的限制了聚合物材料的应用领域，因此，研究聚合物材料的阻燃变得尤为重要。目前聚合物阻燃技术要求达到无卤、无毒、低烟、环保，膨胀型阻燃剂(Intumescent flame retardants，IFR)是现在研究较多的无卤阻燃剂之一，通常是由三部分构成:酸源、气源和炭源，其中最典型的例子是:聚磷酸铵(Ammonium polyphosphate，APP)作为酸源，催化炭源和聚合物基体脱水炭化，形成保护层;三聚氰胺(Melamine，MEL)作为气源，使前面形成的炭层变成多孔结构，提高阻燃效率;季戊四醇(Pentaerythritol，PER)作为小分子成炭剂，为阻燃体系提供更多的炭源。IFR不仅对环境友好，而且阻燃效率要优于常用的氢氧化镁(Magnesium hydroxide，MH)、氢氧化铝(Aluminium hydroxide，ATH)等无机阻燃剂。
　　可膨胀石墨(Expandable graphite，EG)是一种新兴的无卤无机膨胀型阻燃剂，EG在高温下释放出的CO2和SO2气体会促使EG膨胀，形成具有一定厚度的膨胀炭层，炭层包覆在聚合物表面，起到阻燃效果。此外EG还具有很多优异的性能，例如环境友好，不产生有毒气体，耐候性强，添加于聚合物中不影响聚合物本身的柔韧性和其它物理性能。
　　本文以PP/TPU作为聚合物基体材料，研究了EG粒径改变对PP/TPU复合材料燃烧行为的影响，并对无机阻燃剂的界面改性原理，协同阻燃机理进行了系统和深入的研究。旨在研制出阻燃性能和机械性能优异的无卤环保阻燃复合材料，为实现无卤阻燃在工业上的应用提供基础数据和理论指导。本论文的主要研究结果如下:
　　1.采用热重分析、锥形量热仪、垂直燃烧及力学性能测试研究了EG粒径对PP/TPU/EG复合材料热稳定性、燃烧行为和力学性能的影响。实验结果表明:EG粒径越小，PP/TPU/EG复合材料的阻燃性能和热稳定性越优异，复合材料的强度越大。
　　2.利用两种不同的界面改性剂（包括硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂）分别对EG填充PP/TPU阻燃复合材料的界面经行了改性。结果表明，改性之后，复合材料的热稳定性变化不大，阻燃性能显著提高，且硅烷偶联剂的改性效果优于钛酸酯偶联剂;改性之后EG粒子在PP/TPU中的分散性及界面结合力得到明显改善，有利于提高复合材料的力学性能。
　　3.选用粒径为45μm的EG经过硅烷偶联剂处理后来阻燃PP/TPU复合材料，旨在于研究EG含量的变化对复合材料性能的影响。结果表明:随着EG含量的增多，PP/TPU/EG复合材料的热稳定性和燃烧行为都得到改善，特别是当EG含量为30 phr时，达到垂直燃烧Ⅴ-0等级，阻燃性能优异，但复合材料的力学性能随着EG含量的增加而劣化严重。
　　4.采用红磷母粒（RPM）作为EG的协同阻燃剂，研究了协同阻燃剂RPM对PP/TPU/EG三元复合材料形态结构与性能的影响。实验结果表明:RPM的加入可明显改善PP/TPU/EG/RPM阻燃复合材料的燃烧行为，达到垂直燃烧Ⅴ-0级，热稳定性和力学性能提高，表明RPM和EG在阻燃PP/TPU时表现出良好的协同作用。
　　5.利用三聚氰胺包覆聚磷酸铵(MAPP)替换部分RPM，研究了协同阻燃剂MAPP对PP/TPU/EG/RPM复合材料的结构与性能。实验结果表明:用适量的MAPP代替部分RPM后，阻燃复合材料的有毒气体释放量显著降低且不影响其热释放速率，满足垂直燃烧Ⅴ-0等级。此外，利用MAPP替换RPM后，复合材料的冲击强度和断裂伸长率提高。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 聚合物材料的阻燃现状

1．1．1 聚合物材料的燃烧特性

1．1．2 聚合物阻燃机理及其常用阻燃剂

1．2 可膨胀石墨(EG)阻燃聚合物的研究进展

1．3 聚丙烯／热塑性聚氨酯(PP／TPU)复合材料的应用

1．4 本论文的研究思路和主要研究内容

1．4．1 本论文研究的目的意义与思路

1．4．2 本论文研究的主要内容

1．4．3 本论文的创新点

第二章 EG粒径对PP／TPU／EG复合材料燃烧行为及力学性能的影响

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 样品制备

2．2．3 测试与表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 垂直燃烧测试

2．3．2 成炭能力测试

2．3．3 动态燃烧行为分析

2．3．4 热稳定性分析

2．3．5 力学性能测试

2．4 本章小结

第三章 表面改性剂对PP／TPU／EG复合材料性能的影响

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料

3．2．2 样品制备

3．2．3 测试与表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 动态燃烧行为测试

3．3．2 热稳定性分析

3．3．3 断口微观形貌分析

3．3．4 力学性能测试

3．4 本章小结

第四章 EG含量对PP／TPU／EG复合材料性能的影响

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料

4．2．2 样品制备

4．2．3 测试与表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 极限氧指数测试(LOI)

4．3．2 垂直燃烧测试(UL-94)

4．3．3 成炭能力分析

4．3．4 动态燃烧行为分析

4．3．5 力学性能测试

4．4 本章小结

第五章 红磷协同EG阻燃PP／TPU共混物的燃烧行为及热性能的研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 实验原料

5．2．2 样品制备

5．2．3 测试与表征

5．3 结果与讨论

5．3．1 UL-94与LOI分析

5．3．2 动态燃烧行为分析

5．3．3 热稳定性能分析

5．3．4 力学性能测试

5．4 本章小结

第六章 聚磷酸铵协同RPM对PP／TPU／EG复合材料燃烧行为的影响

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 实验原料

6．2．2 样品制备

6．2．3 测试与表征

6．3 结果与讨论

6．3．1 UL-94和LOI测试

6．3．3 动态燃烧行为分析

6．3．2 热稳定性能分析

6．3．4 力学性能测试

6．4 本章小结

结论及展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间已发表(拟发表)的论文及申请的专利

致谢