纳米硼酸锌的制备及其复合材料阻燃性能研究

摘要

硼酸锌具有抑烟、不挥发、无毒和热稳定性好等优点，是一类性能优良的绿色环保型无机阻燃剂。它能替代卤系阻燃剂用于聚酯、聚苯乙烯(PS)、酚醛树脂(PF)、纤维织物等材料，是近年来备受关注的阻燃剂之一。大量研究表明，颗粒越小，分散性越好的硼酸锌，与基体材料的相容性越好。因此，硼酸锌的超细化和分散均匀化已成为人们研究的重点。
　　本文采用均相沉淀法，制备了三种不同形貌的新型纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O。并以十二醇和油酸作为改性剂，对自制的新型纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O进行表面改性研究，得到了分散性较好的亲油纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O。采用原位聚合的方法，将自制的纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O阻燃剂分别添加到PS和PF聚合体系中，制备了新型纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O/PS和纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O/PF两种纳米复合材料。通过XRD、SEM、TGA、FT-IR等手段分析了改性前后纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O的结构和形貌。并对这两种纳米复合材料的形貌、结构、力学性能、热稳定性和阻燃性能进行测试。结果表明:
　　1、以十二烷基苯磺酸钠和十六烷基三甲基溴化铵分别作为表面活性剂，能合成须状新型纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O和球状新型纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O;在没有表面活性剂存在下，可制备片状纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O。
　　2、以油酸和十二醇作为改性剂均能减少纳米粒子间的团聚，提高分散性能，使产品由亲水性转变为亲油性。其中，十二醇的改性效果最好。
　　3、原位聚合法制备的纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O/PS和纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O/PF材料中，由于纳米粒子与聚合物间存在一定的作用，纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O的引入使PS和PF两种聚合物的表面更加光滑，平整。在适当添加量下，纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O的加入不仅能提高PS和PF的热稳定性能、阻燃性能，还能提高它们的力学性能。研究还表明，须状纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O对PS和PF的改性效果最佳。
　　本文还将La引入到纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O中，制备掺杂La纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O的纳米材料。并将其作为新型无机阻燃剂，以原位聚合的方法，制备了新型掺杂La纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O/PS复合材料，并对复合材料的力学性能和阻燃效果进行考察。结果表明掺杂La纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O能明显地改善PS的阻燃性能和提高PS的拉伸性能。

目录

声明

学位论文的主要创新点

摘要

第一章 绪论

1．1 阻燃剂介绍

1．1．1 阻燃剂概述

1．1．2 聚合物的燃烧与阻燃

1．1．3 阻燃剂分类及阻燃机理

1．1．4 阻燃剂的发展趋势

1．2 硼酸锌与硼酸锌阻燃剂

1．2．1 硼酸锌性能和用途

1．2．2 纳米硼酸锌的研究

1．2．3 纳米硼酸锌制备与改性

1．2．4 纳米硼酸锌阻燃剂阻燃机理

1．3 聚合物／无机纳米复合阻燃材料

1．3．1 聚合物／无机纳米复合材料的制备技术

1．3．2 聚合物／无机纳米复合材料的性能

1．3．3 聚合物／无机纳米复合阻燃材料发展趋势

1．4 研究目的、研究思路和实验方案

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究思路

1．4．3 实验方案

第二章 不同形貌纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O制备及性能表征

2．1 实验部分

2．1．1 实验设备

2．1．2 实验试剂

2．1．3 样品的制备

2．1．4 测试与表征方法

2．2 结果与讨论

2．2．1 纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O XRD分析

2．2．2 纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O能谱分析

2．2．3 纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O FT-IR分析

2．2．4 纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O FESEM分

2．2．5 纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O TGA分析

2．2．6 4ZnO·B2O3·H2O纳米结构形成的影响因素

2．3 不同形貌硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O纳米结构形成机理探讨

2．4 本章小结

第三章 纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O改性研究

3．1 实验部分

3．1．1 实验设备

3．1．2 实验试剂

3．1．3 样品的制备

3．1．4 测试与表征方法

3．2 结果与讨论

3．2．1 改性纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O FT-IR分析

3．2．2 改性纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O XRD分析

3．2．3 改性纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O水接触角分析

3．2．4 改性纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O活化指数的测定

3．2．5 改性纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O分散稳定性测试

3．2．6 改性纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O FESEM分析

3．3 纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O改性机理探讨

3．4 本章小结

第四章 纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O／PS复合材料制备及阻燃性能研究

4．1 实验部分

4．1．1 实验设备

4．1．2 实验试剂

4．1．3 样品的制备

4．1．4 测试与表征方法

4．2 结果与讨论

4．2．1 纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O／PS复合材料XRD分析

4．2．2 纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O／PS复合材料FT-IR分析

4．2．3 纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O／PS复合材料FESEM分析

4．2．4 纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O／PS复合材料拉伸强度测试

4．2．5 纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O／PS复合材料TGA分析

4．2．6 纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O／PS复合材料燃烧残留物分析

4．2．7 纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O添加量对复合材料碳残量影响

4．2．8 纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O／PS复合材料热分解动力学研究

4．2．9 纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O／PS复合材料LOI测定

4．3 纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O／PS复合材料阻燃机理探讨

4．4 本章小结

第五章 纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O／PF复合材料制备及阻燃性能研究

5．1 实验部分

5．1．1 实验设备

5．1．2 实验试剂

5．1．3 样品的制备

5．1．4 测试与表征方法

5．2 结果与讨论

5．2．1 纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O／PF复合材料XRD分析

5．2．2 纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O／PF复合材料FT-IR分析

5．2．3 纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O／PF复合材料FESEM分析

5．2．4 纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O／PF复合材料拉伸强度测试

5．2．5 纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O／PF复合材料TGA分析

5．2．6 复合材料高温处理后残留物分析

5．2．7 纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O的添加量对PF碳残量影响

5．2．8 纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O／PF复合材料热分解过程动力学研究

5．2．9 纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O／PF复合材料LOI测定

5．3 纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O／PF复合材料阻燃机理探讨

5．4 本章小结

第六章 掺杂La纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O制备及阻燃性能研究

6．1 实验部分

6．1．1 实验设备

6．1．2 实验试剂

6．1．3 样品的制备

6．1．4 测试与表征方法

6．2 结果与讨论

6．2．1 掺杂La纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O性能研究

6．2．2 掺杂La纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O／PS复合材料性能研究

6．3 掺杂La纳米硼酸锌4ZnO·B2O3·H2O／PS机理探讨

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 主要结论

7．2 展望

参考文献

发表论文情况

附录

致谢