改性高岭土对聚丁二酸丁二醇酯膨胀阻燃体系性能的影响及机理研究

摘要

聚丁二酸丁二醇酯(PBS)是可以由石油资源或生物资源直接合成的可生物降解高分子材料。因此从环境角度出发，PBS的开发及应用受到越来越多的重视。PBS也是极易燃的，并且在热降解期间伴随着严重的熔滴产生。其LOI值仅有22.0。近年来，各种阻燃剂已被用于改善PBS的阻燃性，其中膨胀型阻燃剂(IFR)由于低烟，低毒和燃烧时不产生熔滴等的优点而受到广泛关注。但是，IFR在使用时的需求量较高。纳米粘土在许多聚合物的协效阻燃方面已有文献记载。高岭土(Kaol)通常用作高聚物中的阻燃协效剂，并已广泛用于聚丙烯，尼龙6和聚乳酸。然而，关于kaol在PBS/IFR体系中的阻燃应用鲜有报道。
　　本文采用两种不同的小分子化合物分别对kaol进行插层和剥离改性，并用一种无机阻燃剂对kaol进行表面接枝改性，从而制备了三种不同结构的改性高岭土，并与IFR复配加入到PBS基体中，在提高PBS阻燃性能的基础上降低IFR添加量。并对三种kaol改性后的分子结构和PBS/IFR/改性kaol复合材料的阻燃性能、热稳定性进行了表征和分析和对比。主要工作如下:
　　(1)通过直接研磨法将尿素引入kaol层间，实现kaol插层改性，制备出尿素插层kaol产物(K-U)，然后将K-U作为协效剂与IFR以一定比例混合加入到PBS中，然后进行熔融共混得到PBS/IFR/K-U复合材料。结果表明:尿素成功插入到kaol层间。PBS不能达到任何燃烧等级，但当K-U与IFR在PBS中的加入量分别为5和20wt％时，PBS复合材料达到UL-94Ⅴ-0级，LOI从21.9％提高到40.1％，并且燃烧中的热释放速率(PHRR)从576kW/m2降到292kW/m2。SEM结果发现，引入K-U后，PBS复合材料在燃烧后生成的炭层变得连续而致密。
　　(2)通过两步法将硫氰酸钠(NaSCN)对kaol进行了剥离改性，制备出硫氰酸钠剥离高岭土(K-NaS CN)，然后将K-NaSCN与IFR以一定质量比进行混合加入到PBS中，得到PBS/IFR/K-NaS CN复合材料。结果表明:NaSCN可以进入到kaol层间，使得kaol处于不完全剥离状态。且当K-NaSCN和IFR的添加量分别为5和20wt％时，PBS复合材料达到UL-94Ⅴ-0等级，LOI从纯PBS的21.9％进一步提高到41.9％，且PBS复合体系具有良好的力学性能。
　　(3)通过对羟基苯甲醛(PHBA)取代六氯环三磷腈(HCCP)的氯原子，制备出六（4-醛基苯氧基）环三磷腈（HAPCP），然后将其与剥离的kaol接枝，得到产物K-HAPCP，将K-HAPCP与IFR以一定配比与PBS熔融共混，得到PBS复合体系。结果表明:K-HAPCP的加入量仅为3wt％时，PBS复合体系就能够达到UL-94Ⅴ-0级，LOI达到40.3％。当K-HAPCP的加入量为5wt％时，体系总热释放量(THR)以及PHRR都降到最低，分别为68MJ/m2和295kW/m2，并且残炭量达到最高，为21.9wt％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 聚丁二酸丁二醇酯(PBS)简介

1．3 阻燃剂分类

1．3．1 卤系阻燃剂

1．3．2 磷系阻燃剂

1．3．3 氮系阻燃剂

1．3．4 膨胀型阻燃剂

1．3．5 无机纳米阻燃剂

1．4 聚合物燃烧以及阻燃机理

1．4．1 聚合物的燃烧

1．4．2 聚合物阻燃机理

1．5 高岭土的改性及在阻燃领域的应用

1．5．1 一维纳米管状材料

1．5．2 二维高岭土材料

1．5．3 三维高岭土材料

1．5．4 高岭土阻燃机理

1．6 本课题研究内容

1．7 本课题研究目的和意义

1．8 课题创新之处

第二章 实验部分

2．1 实验原料

2．2 实验设备及测试仪器

2．3 材料结构和性能表征

2．3．1 红外光谱分析

2．3．2 X射线衍射分析

2．3．3 热失重分析

2．3．4 极限氧指数分析

2．3．5 垂直燃烧等级测试分析

2．3．6 锥形量热分析

2．3．7 拉曼光谱分析

2．3．9 力学性能测试

第三章 尿素插层高岭土协效阻燃聚丁二酸丁二醇酯

3．1．2 K-U的FTIR分析

3．1．4 K-U分散性表征

3．2 PBS复合材料制备及表征

3．2．1 PBS复合材料的制备

3．2．2 PBS复合材料LOI及UL-94等级测试

3．2．3 PBS复合材料锥形量热测试分析

3．2．4 PBS复合材料残炭分析

3．2．5 PBS复合材料残炭拉曼分析

3．2．6 PBS复合材料热稳定性分析

3．2．7 PBS复合材料力学性能分析

3．3 PBS复合材料燃烧机理分析

3．3．1 凝聚相分析

3．3．2 阻燃机理

3．4 本章小结

第四章 硫氰酸钠剥离高岭土协效阻燃聚丁二酸丁二醇酯

4．1．2 K-NaSCN的FTIR分析

4．1．4 K-NaSCN的分散性分析

4．1．5 K-NaSCN的热稳定性分析

4．2 PBS复合材料的制备与表征

4．2．1 PBS复合材料的制备

4．2．2 PBS复合材料LOI及UL-94等级测试

4．2．3 PBS复合材料锥形量热测试分析

4．2．4 PBS复合材料残炭分析

4．2．5 PBS复合材料残炭拉曼光谱分析

4．2．6 PBS复合材料热稳定性表征

4．2．7 PBS复合材料力学性能分析

4．3 PBS燃烧机理分析

4．4 本章小结

第五章 六(4-醛基苯氧基)环三磷腈接枝高岭土协效阻燃聚丁二酸丁二醇酯

5．1．2 K-HAPCP的制备方法

5．1．3 HAPCP的FTIR表征

5．1．4 HAPCP核磁表征

5．1．5 HAPCP热稳定性分析

5．1．6 剥离高岭土的XRD表征

5．1．8 K-HAPCP的SEM分析

5．1．9 K-HAPCP热稳定性分析

5．2 PBS复合材料的制备以及表征

5．2．1 PBS复合材料的制备方法

5．2．2 PBS复合材料阻燃性能分析

5．2．3 PBS复合材料锥形量热测试分析

5．2．4 PBS复合材料残炭分析

5．2．5 PBS复合材料热稳定性分析

5．2．6 PBS复合材料力学性能分析

5．3 PBS复合材料阻燃机理分析

5．4 本章小结

第六章 结论

6．1 结论

6．2 本课题展望及不足之处

参考文献

致谢

研究成果

导师及作者简介