NCC/APP复合聚电解质的自组装及阻燃协效机制

来源 :南京林业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:luhaixiong1971
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聚电解质是指主链或侧链带有可电离基团的高聚物,具有亲水性、荷电性等特性。将合适的阴、阳离子聚电解质组装成复合聚电解质(polyelectrolyte complex,PEC),可以有效调控材料的阻燃性能,在阻燃领域显示出巨大的潜力。本论文以纳米晶纤维素(nanocrystalline cellulose,NCC)及聚磷酸铵(ammonium polyphosphate,APP)掺杂的纳米复合物为阴离子聚电解质,聚乙烯亚胺(polyethyleneimine,PEI)为阳离子聚电解质,构建了阴、阳离子复合聚电解质。系统研究了该复合聚电解质的合成机理,将该复合聚电解质应用于木塑复合材料(wood-plastic composites,WPC),进一步研究该体系对WPC的热性能、阻燃性能、力学性能的影响,阐明复合聚电解质对WPC的阻燃机理。具体如下:(1)以NCC为模板掺杂APP自组装形成阴离子聚电解质,APP与NCC形成分子间氢键,同时与NCC上所带的磺酸基依靠静电力作用结合在一起。热分析结果显示阴离子聚电解质的初始分解温度为298℃,与APP相比其初始分解温度向低温方向移动了21℃。当NCC的添加量为APP的9%时自组装形成的阴离子聚电解质在700℃的炭残余率为52.8%,与APP相比提高了28.5%。NCC能够促进阴离子聚电解质提前热解释放出CO2和NH3等不燃气体,同时形成均匀、致密的WPC炭层,该炭层具有阻隔作用,防止热量进一步向材料内部扩散,提高了WPC的阻燃性能。进一步将此阴离子聚电解质作为阻燃剂引入到WPC中,结果显示其极限氧指数(limit oxygen index,LOI)为27.1%,较APP的26.1%有所改善。平均热释放速率、热释放速率峰值和总热释放量(total heat release,THR)与WPC/APP相比分别下降了5.1%、3.3%和5.4%,其拉伸强度、断裂伸长率与WPC/APP相比分别提高了68.2%、117%,但冲击强度下降了5.4%。NCC表面含有丰富的羟基,可以与木质纤维发生氢键反应,提高阴离子聚电解质与WPC的界面结合,但阴离子聚电解质作为刚性体引入,造成WPC冲击性能下降。(2)以NCC、APP掺杂的纳米复合物为阴离子聚电解质,PEI为阳离子聚电解质,PEI分子链上所带的伯胺与NCC表面羟基和APP发生离子络合反应,同时PEI依靠静电力的作用吸附阴离子聚电解质NCC、APP制备具有交联结构的复合聚电解质。当NCC、PEI、APP之间的配比为9:9:100时自组装形成的复合聚电解质初始分解温度为262℃,与APP相比向低温方向移动了57℃。复合聚电解质能够提前热解释放出大量不燃气体,形成连续致密的WPC炭层,对燃烧过程中产生的烟雾具有吸附作用。进一步将此复合聚电解质引入WPC中,结果显示其LOI为24.4%,与WPC/APP的23.9%相比有所改善。热释放速率峰值、THR和TSR,与WPC/APP相比,分别下降了25.2%、6.8%和27.8%。PEI具有良好的分散性,能够改善复合聚电解质与WPC之间的界面相容性,经阻燃处理的WPC的拉伸强度、冲击强度和断裂伸长率明显提高。NCC、PEI、APP之间的配比为9:9:100时自组装形成复合聚电解质,当其添加量为总组分的15%时加入到WPC中,其拉伸强度、断裂伸长率和冲击强度分别为22.28MPa、10.30%和6.77KJ/m2与WPC/APP相比分别提高了8.4%、44.6%和21.3%。
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