两种环保型纳米阻燃剂的制备及在聚丙烯和环氧树脂中的应用

摘要

本文以硝酸锌（Ni(NO3)2·6H2O），硝酸镍（Zn(NO3)2·6H2O），硝酸铝（Al(NO3)3·9H2O）和尿素为原料，通过水热法制备了锌镍铝三元层状双氢氧化合物（C-LDH）。利用正交试验对LDH的制备条件进行了优化。通过离子交换法将C-LDH转换为N-LDH。通过使用XRD、FTIR、SEM和TG，对C-LDH的晶体结构、层间距、形貌和热稳定性能进行了表征，确定了C-LDH的最佳制备条件。
　　为了改善C-LDH在聚合物中的分散状态，本文选用含有阻燃元素N和具有高温自交联官能团（N=N）的化合物偶氮苯二甲酸，通过离子交换法对N-LDH进行插层改性，提高其层间距，制备了有机化LDH(O-LDH)。使用XRD、FTIR、SEM和TG对O-LDH的结构、形貌和热稳定性能进行了表征。
　　将O-LDH作为一种新型的阻燃协效剂与膨胀型阻燃剂（IFR）复配，制备不同配比的聚丙烯阻燃复合材料。通过XRD、TG和拉伸测试对复合材料的分散状态、热稳定性能、力学性能等进行了表征。XRD结果显示O-LDH在聚合物中是以剥离的形式存在的，并且加入LDH后不会改变PP的晶型。TG数据显示加入LDH后会提高PI复合材料（PP/IFR）的热稳定性能，其中又以O-LDH的效果最好。机械性能测试结果说明PIOL1复合材料比PIL1具有更加优异的机械性能。
　　通过LOI、UL-94和 CC等测试方法对PP复合材料的阻燃抑烟性能和燃烧行为进行了表征。LOI和UL-94结果表明 LDH与IFR之间具有协效阻燃作用。PIOL1复合材料的氧指数能达到29.3％，并达到UL-94 V-0级。锥形量热结果表明，O-LDH的加入能明显改善PI的防火性能。
　　通过SEM和EDX对PP阻燃复合材料残炭的形貌和组成进行了表征。结果说明，加入O-LDH能够获得更为致密、连续和稳定的炭层。同时，EDX数据也证实了O-LDH的加入提高了残炭的抗热氧分解能力。
　　本文以植酸（PA）和三聚氰胺（MA）为原料，通过水热法，成功合成了一种同时具有碳源、酸源、气源的新型纳米片层膨胀型阻燃剂（PAMA）。探索了不同反应配比、反应温度对PAMA形貌的影响。结果表明：在nPA：nMA=1:6，反应温度80℃下，才能够有效自组装形成均一、稳定的片状PAMA。使用 FTIR、1H-NMR、XPS、SEM与EDX-mapping对PAMA的结构和形貌进行了表征，提出了其可能的形成机理。使用TG对 PAMA的热稳定性能进行了表征，结果表明其在700℃时具有37.5%的残炭。
　　将PAMA作为单一阻燃剂通过溶剂共混加入到环氧树脂（EP）中，制备了不同PAMA添加量的EP阻燃复合材料。通过SEM、EDX-Mapping、DSC、TG、CC、LOI和UL-94等对EP阻燃复合材料的分散性能、热稳定性能和阻燃性能进行了表征。SEM及EDX-Mapping结果表明PAMA均匀分散在 EP基体中。TG结果显示加入PAMA能显著提高EP的热稳定性能及残炭率（700℃残炭为22.98%）。阻燃测试结果表明，加入6 wt%的PAMA能使 EP阻燃复合材料氧指数达到29.7%，并达到UL-94 V-0级，使最大热释放速率和火焰增长速率指数分别下降63.9%和62.2%。使用TG-IR、SEM和EDX对复合材料的阻燃机理进行了研究，结果表明PAMA阻燃机理主要是凝聚相阻燃，PAMA片层在受热初期能延缓热的传递，随后其分解产生磷酸及磷酸盐化合物能使EP阻燃复合材料快速形成膨胀型炭层，该炭层能有效阻止热氧传递以及中断燃料供给。

目录

声明

1 绪论

1.1 聚合物燃烧过程及阻燃机理简介

1.2 层状双氢氧化合物和偶氮化合物

1.3 三聚氰胺及植酸的简介

1.4 本课题研究目的及内容

1.5 本课题的创新点

2 ZnNiAl-CO3(C-LDH)和 ZnNiAl-NO3 LDH的制备

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 小结

3 有机化改性 LDH的制备及表征

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 小结

4 PP/IFR/LDH复合材料的制备及热稳定性、机械性能和阻燃性能研究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 小结

5 纳米环保型膨胀型阻燃剂 PAMA的制备

5.1 前言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 小结

6 EP/PAMA 复合材料的制备及热稳定性和阻燃抑烟性能研究

6.1 前言

6.2 实验部分

6.3 结果与讨论

6.4 小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的与学位论文及研究成果