硅烷接枝/交联及膨胀型阻燃聚乙烯复合材料的制备与性能研究

摘要

本文在大量文献调研的基础上，针对硅烷接枝水交联技术在聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料这一领域中研究的不足，利用反应挤出法制备了硅烷接枝低密度聚乙烯/蒙脱土纳米复合材料(LLDPE-g-VTMS/OMT)，研究了制备过程中的插层机理和材料的力学性能以及热稳定性；利用熔融共混法制备了硅烷交联低密度聚乙烯/氢氧化镁/蒙脱土(VTMS-c-LLDPE/MH/OMT)纳米复合材料，研究了氢氧化镁和蒙脱土对交联聚乙烯阻燃性能和热稳定性的影响；同时还着眼聚乙烯在阻燃性能方面存在的问题，从材料设计的理念出发，针对高密度聚乙烯/蒙脱土(HDPE/OMT)纳米复合材料使用乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)作为相容剂的基体，设计了有不同成炭剂的膨胀阻燃体系，包括聚磷酸铵/季戊四醇(APP/PER)、聚磷酸铵/尼龙(APP/PA)和聚磷酸铵/尼龙/蒙脱土(APP/nPA)对其阻燃性能和热稳定性进行了研究。运用X-射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)和差示扫描量热分析(DSC)等表征了材料的结构并通过极限氧指数(LOI)、热重分析(TGA)、锥形量热计、材料实验仪等对材料的热性能、燃烧性能和力学性能等进行了评价。本文得到以下有意义的研究结果： 1.采用反应挤出法制备了乙烯基三甲氧基硅烷接枝线性低密度聚乙烯(VTMS-g-LLDPE)/OMT纳米复合材料。X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)结果表明形成了典型的插层结构：红外光谱分析(FTIR)表明VTMS在蒙脱土片层上形成了化学键合，聚乙烯分子与蒙脱土片层通过化学键连接起来，形成LLDPE-VTMS-OMT一体结构，从而提高有机-无机组分之间的相容性，促进插层结构的形成；TGA结果证实LLDPE-VFMS-OMT一体结构的形成有助于提高材料热稳定性；力学性能测试结果证实在硅烷接枝聚乙烯体系中，蒙脱土具有更高的插层效率。 2. 采用熔融共混法制备了硅烷交联低密度聚乙烯/氢氧化镁/蒙脱土纳米复合材料(VTMS-c-LLDPE/MH/OMT)，着重考察了MH和OMT对硅烷交联线性低密度聚乙烯体系阻燃和热解性能的影响，并对其相关作用机理进行了探讨。 交联结构的形成有助于LLDPE基体力学性能、阻燃性能和热稳定性的提高，而MH和OMT的加入会阻碍LLDPE交联；LOI、TGA、锥形量热计、DSC结果表明，当使用同等份数的OMT替代了MH形成纳米复合材料之后，交联LLDPE体系没有出现预期中更为显著的各项性能的提高，反而有所下降。这说明OMT的加入并不能与MH起到协效作用。 3.针对高密度聚乙烯/蒙脱土(HDPE/OMT)纳米复合材料使用乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)作为相容剂的基体，设计了有不同成炭剂的膨胀阻燃体系。在添加量为35％时，只有APP/PER体系达到了V-0级别；TGA、锥形量热计结果表明APP/PER阻燃体系熔融过程较短且成炭较早；PER/nPA体系的样品相比使用PER/PA体系的氧指数有所提高，同时PHRR也有所降低，这可能是由于其中蒙脱土含量较高，覆盖层在材料表明堆积更均匀的原因。

目录

文摘

英文文摘

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第一章文献综述

1.1引言

1.2纳米复合技术的研究和进展

1.2.1聚合物/层状无机纳米复合材料

1.2.2聚合物/层状硅酸盐纳米复合技术的研究进展

1.2.3聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料形成机理

1.2.4纳米复合材料的制备

1.2.5纳米复合材料的表征

1.2.6纳米复合材料的主要性能

1.3聚烯烃接枝和交联改性技术

1.3.1接枝改性

1.3.2交联改性

1.4聚烯烃材料阻燃技术研究

1.4.1卤素阻燃技术

1.4.2有机磷阻燃技术

1.4.3无机金属氧化物阻燃技术

1.4.4红磷阻燃技术

1.4.5膨胀阻燃技术

1.4.6其他阻燃技术

1.5本论的文主要研究内容

参考文献

第二章实验材料和测试方法

2.1实验原料

2.2实验仪器

2.3结构表征及性能测试方法

第三章硅烷接枝聚乙烯/蒙脱土纳米复合材料的研究

3.1引言

3.2材料制备

3.2.1硅烷接枝聚乙烯/蒙脱土纳米复合材料(LLDPE-g-VTMS/OMT)的制备

3.2.2对比样品的制备

3.2.3样品的纯化

3.3结果与讨论

3.3.1形貌结构分析

3.3.2插层机理探讨

3.3.3热稳定性

3.3.4 FTIR分析

3.3.5力学性能

3.4本章小结

参考文献

第四章氢氧化镁阻燃硅烷交联聚乙烯/蒙脱土纳米复合材料的研究

4.1引言

4.2硅烷交联聚乙烯/氢氧化镁/蒙脱土纳米复合材料的制备

4.3结果与讨论

4.3.1力学性能

4.3.2阻燃性能

4.3.3热稳定性

4.3.4非等温结晶性能

4.4本章小结

参考文献

第五章聚乙烯/蒙脱土纳米复合材料膨胀阴燃体系的研究

5.1引言

5.2膨胀型阴燃高密度聚乙烯的制备

5.3结果与讨论

5.3.1HDPE/EVA/OMT的结构分析

5.3.2IFR/nPE热稳态定性

5.3.3IFR/nPE阴燃性能

5.4本章小结

参考文献

第六章工作总结

6.1结论

6.2创新之处

6.3不足之处

硕士期间完成论文

致谢