粉煤灰的改性及其对聚丙烯阻燃和力学性能的影响

摘要

粉煤灰(FA)是一种燃煤的废弃物，其排放量随着能源消耗的逐年增长而增加。我国目前有一部分FA用于建筑，农业和工业等的生产，绝大多数FA还处于露天堆置的状态。这不仅占据了大量的土地，也对湖泊以及环境造成了极大的污染。因此亟需合理开发利用FA。分子筛以其优异的吸附性普遍应用于工业界。以FA为原料合成分子筛不仅是FA高附加值利用的一条主要途径，也达到了废物再利用和环保的目的，具有明显的环保、经济和社会效益。
　　聚丙烯(PP)是广泛使用的通用塑料，但由于分子结构造成的易燃性又使其在许多领域的应用受到限制。膨胀型阻燃剂(IFR)在PP中表现出一定阻燃效果，研究发现某种特殊结构硅酸盐可以协效提升阻燃性。本研究前期以FA为协效剂，后期以FA合成的4A/4A-Zn分子筛为协效剂通过与IFR复配，研究它们对PP阻燃以及力学性能的影响。主要工作介绍如下:
　　首先以FA作为协效剂添加到PP/IFR体系中，氧指数(LOI)、垂直燃烧(UL-94)以及锥形量热测试(Cone)的结果都证明FA与IFR对PP阻燃的协效作用。热稳定性(TGA)分析和电镜(SEM)观察发现FA可促进成炭。但是FA的加入使PP复合材料的拉伸强度，断裂伸长率以及冲击强度都呈现不同水平的降低。
　　其次以FA为原料，通过碱熔融-水热处理法合成了4A分子筛，通过红外光谱(FTIR)、X-射线衍射(XRD)和SEM表征产物结构。以2.5％的4A取代等量IFR，使PP/IFR体系的LOI值达到33.9％，UL-94达到Ⅴ-0等级，PHRR由436KW/m2降低到188KW/m2，THR由123MJ/m2降低到55MJ/m2。而且2.5％的4A没有使复合材料的力学性能发生明显的变化。
　　最后以FA为原料，在4A分子筛制备过程中引入Zn得到4A-Zn。通过FTIR、XRD、SEM、XPS和EDS分析表明Zn取代了4A中Al原子的位置。将4A-Zn添加到PP/IFR体系中，发现2％的4A-Zn使PP/IFR体系的LOI达到37.2％，UL-94达到Ⅴ-0等级，PHRR降低到136KW/m2，THR降低到40MJ/m2。TGA和SEM分析表明向4A中引入Zn可形成路易斯(Lewis)酸性位点，通过催化成炭的方式提高了复合材料的阻燃性能。除此，添加少量4A-Zn于PP/IFR体系中，复合材料的力学性能恶化现象略微缓解。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 粉煤灰的性质

1．2．1 粉煤灰的物理性质

1．2．2 粉煤灰的化学性质及组成

1．3 粉煤灰的改性方法简述

1．3．1 酸溶法

1．3．2 碱溶法

1．3．3 盐溶法

1．3．4 表面活性改法

1．4 粉煤灰在聚合物中的应用现状

1．5 粉煤灰合成分子筛的常见方法

1．5．1 原位水热合成法

1．5．2 碱熔融-水热合成法

1．5．3 两步水热合成法

1．6 分子筛的性能特点

1．7 聚丙烯的常见阻燃方法

1．7．1 卤系阻燃剂

1．7．2 磷系阻燃剂

1．7．3 无机阻燃剂

1．7．4 膨胀型阻燃剂

1．8 膨胀型阻燃剂的发展和存在的问题

1．9 本课题研究的意义和研究的主要内容

1．9．1 本课题研究的意义

1．9．2 本课题研究的主要内容

第二章 实验部分

2．1 实验原料

2．2 实验仪器和设备

2．3 实验制备

2．3．1 PP／IFR／FA复合材料的制备

2．3．2 粉煤灰合成4A分子筛及PP／IFR／4A复合材料的制备

2．3．3 粉煤灰合成A-Zn分子筛及PP／IFR／4A-Zn复合材料的制备

2．4 性能测试和表征

2．4．1 极限氧指数(LOI)

2．4．2 垂直燃烧(UL-94)

2．4．3 红外分析(FTIR)

2．4．4 X-射线衍射分析(XRD)

2．4．5 热失重分析(TGA)

2．4．6 扫描电子显微镜(SEM)

2．4．7 锥形量热分析(CONE)

2．4．8 X射线光电子能谱分析(XPS)

2．4．9 力学性能

第三章 粉煤灰对PP阻燃和力学性能的影响

3．1 引言

3．2 结果与讨论

3．2．1 粉煤灰的结构与性能表征

3．2．2 PP／IFR／FA复合材料的阻燃性能分析

3．2．3 PP／IFR／FA复合材料的热稳定性分析

3．2．4 PP／IFR／FA复合材料的残炭分析

3．2．5 PP／IFR／FA复合材料的力学性能研究

3．3 本章小结

第四章 粉煤灰合成4A分子筛及其对PP阻燃和力学性能的影响

4．1 引言

4．2 结果与讨论

4．2．1 粉煤灰合成的4A分子筛的结构与性能表征

4．2．2 PP／IFR／4A复合材料的阻燃性能分析

4．2．3 PP／IFR／4A复合材料的热稳定性分析

4．2．4 PP／IFR／4A复合材料的残炭结构分析

4．2．5 PP／IFR／4A复合材料的力学性能研究

4．3 本章小结

第五章 粉煤灰合成负载锌4A分子筛及其对PP阻燃和力学性能的影响

5．1 引言

5．2 结果与讨论

5．2．1 粉煤灰合成的4A-Zn分子筛的结构与性能表征

5．2．2 PP／IFR／4A-Zn复合材料的阻燃性能分析

5．2．3 PP／IFR／4A-Zn复合材料的热稳定性分析

5．2．4 PP／IFR／4A-Zn复合材料的残炭结构分析

5．2．5 PP／IFR／4A-Zn复合材料的阻燃机理

5．2．6 PP／IFR／4A-Zn复合材料的力学性能测试

5．3 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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