二乙基次磷酸铝协效体系阻燃尼龙6研究

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尼龙6具有良好的耐磨性、耐腐蚀、耐油性和电性能,且易于加工,广泛地应用于机械、纺织、家电等领域。但是其受热易燃烧,极限氧指数仅约25%,燃烧过程中熔滴滴落严重,限制了材料的应用,因而必须对尼龙6进行阻燃改性。二乙基次磷酸铝是一类新型的绿色环保型阻燃剂,可在气相和凝聚相同时发挥阻燃作用。本论文基于二乙基次磷酸铝,优选苯并噁嗪、无机金属化合物及表面修饰二氧化硅等3类协效剂与之复配,采用熔融共混制备了阻燃PA6复合材料,并通过极限氧指数、垂直燃烧测试、锥形量热测试、热失重分析(TG)、电子扫描电镜分析(SEM)以及力学性能测试等探讨阻燃PA6复合材料的综合性能,并对其作用机制进行研究。具体内容如下:
  1)分别使用双酚A型苯并噁嗪(BOZ)、硅氧烷型苯并噁嗪(Si-BOZ)、萘酚型苯并噁嗪(Naph-BOZ)协效二乙基次磷酸铝用于阻燃PA6,制备了阻燃PA6复合材料,并对复合材料的阻燃性能和力学性能进行了综合评价和分析。结果表明:苯并噁嗪类协效剂的成炭性能良好,主要在凝聚相发挥阻燃作用,并且与ADP的气相阻燃作用同时发挥作用,因而表现出较好的阻燃效果。三者的协同作用效果Si-BOZ最佳,BOZ其次,Naph-BOZ最差。当BOZ的添加量为0.3%,ADP添加量为9.7%时,复合材料的垂直燃烧达到V-0级别,LOI达到了31.0%,总热释放量下降到113.7MJ/m2。当Si-BOZ的添加量为2%,ADP添加量为8%时,复合材料的垂直燃烧达到V-0级别,LOI达到了30.2%,热释放速率峰值下降至325.2kW/m2,总热释放量下降至98.4MJ/m2,总烟释放量下降至10.9m2,同时达到了阻燃和抑烟的效果。并且硅氧烷结构的引入对复合材料的力学性能也有帮助。相同添加量下,ADP/Si-BOZ体系阻燃PA6的综合性能优于ADP/BOZ体系,也优于单独采用ADP阻燃的体系。
  2)分别使用无机金属化合物三氧化二锑(Sb2O3)、硅烷偶联剂改性三氧化二锑(K-Sb2O3)、硼酸锌(ZB)与二乙基次磷酸铝协效用于阻燃PA6。3种无机金属化合物对提高残炭率和炭层质量都没有帮助,但是它们能促进阻燃体系的气相阻燃作用从而达到较好的阻燃效果。并且ZB的协同效果最好,其次是K-Sb2O3。当K-Sb2O3的添加量为2%,ADP添加量为8%时,复合材料的LOI提升至33.8%,垂直燃烧达到V-0级别,热释放速率峰值下降到411.2kW/m2,总热释放量下降到129.2MJ/m2。当ZB的添加量为2%,ADP添加量为8%时,复合材料的LOI提升至33.1%,垂直燃烧测试中无熔滴,垂直燃烧达到V-0级别,热释放速率峰值下降到355.6kW/m2,总热释放量下降到139.8MJ/m2,并且复合材料的综合力学性能也优于相同添加量下采用K-Sb2O3和Sb2O3的试样。
  3)使用有机无机杂化纳米二氧化硅(DNS-M)和可反应性纳米二氧化硅(RNS-A)分别协效二乙基次磷酸铝用于阻燃PA6。研究发现,ADP/DNS-M和ADP/RNS-A都是以气相阻燃为主凝聚相阻燃为辅的作用机制。当DNS-M的添加量为1%,ADP添加量为9%时,复合材料的垂直燃烧可达到V-0级别,热释放速率峰值下降到309.5kW/m2,阻燃效果显著提高。当RNS-A的添加量为1%,ADP添加量为9%时,复合材料的垂直燃烧可达到V-0级别,热释放速率峰值下降到239.1kW/m2,阻燃效果优于ADP/DNS-M阻燃体系。并且由于RNS-A表面具有可反应的环氧基团,可提高阻燃填料与基体之间的相互作用,改善分散性和相容性,因而材料的弯曲强度和冲击强度分别提升至101.8MPa和4.6kJ/m2。
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