聚酰胺6/三聚氰胺氰尿酸盐的阻燃扩链改性

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聚酰胺6(PA6)是聚酰胺工程塑料中最为重要的品种之一,具有良好的综合性能。PA6的分子链中含有大量极性高的酰胺基团,在高温加工过程中很容易发生断链,使得其分子量下降。从实用的角度来看,分子量的下降将会导致材料的熔体粘度和力学性能下降。目前用于解决上述问题较合理的方法是在PA6中添加扩链剂对其进行扩链改性。同时,PA6本身是一种可燃性的高分子材料,这限制了它在很多领域的应用。因此,阻燃改性已成为PA6较为重要的研究课题,但阻燃剂的添加往往会造成PA6的其它性能下降。将阻燃改性与扩链改性相结合,在提高PA6阻燃性能的同时兼顾其它性能,制备出一种综合性能优良的阻燃PA6材料,对拓宽PA6的应用领域具有重大意义。本文合成了一种9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)基双环氧扩链剂DEP,并将DEP与三聚氰胺氰尿酸盐(MCA)复配,对PA6进行阻燃扩链改性。采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)以及核磁共振谱(NMR)等方法,表征DEP的结构,其结果与预期一致。DEP的加入能改善PA6/MCA体系的阻燃性能。若单独添加MCA,其添加量达到14 wt%时,PA6/MCA的极限氧指数(LOI)值为32.6 vol%,但仅能通过UL-94垂直燃烧测试中的V-2等级。固定MCA的添加量为10 wt%,在PA6/MCA体系中分别另加2wt%、3 wt%的DEP,结果显示它们的UL-94测试均达到V-0级。与PA6/MCA相比,添加了2 wt%和3 wt%DEP的PA6/MCA/DEP可将LOI值从30.4 vol%分别提高至32.3vol%和33.1 vol%。其结果表明,在阻燃剂总量仅为12 wt%和13 wt%的情况下,PA6/MCA/DEP的阻燃效果优于PA6/MCA(MCA添加量为14 wt%),说明DEP与MCA的复配有一定的阻燃共同作用。锥形量热测试结果表明,随着DEP的加入,PA6/MCA的点燃时间(TTI)缩短、总热释放量(THR)明显降低、烟雾释放速率(RSR)增大、残炭率明显增多。如当DEP含量为3 wt%时,TTI为55 s,比PA6/MCA(MCA添加量为14 wt%)缩短了10 s,源于DEP中的含磷基团在燃烧过程中分解产生有机膦物质并促进PA6基体的提前分解。THR值为116.1 MJ/m2,相比于PA6/MCA下降了23.0%。RSR其峰值由PA6/MCA的3.2(m2/s)/m2增加到9.5(m2/s)/m2。残炭率相比于PA6/MCA提高了2.3倍,且由扫描电镜结果发现PA6/MCA/DEP的炭层较为致密,不存在宏观尺寸的孔洞。炭层的红外光谱和能谱分析结果表明,含磷物质在凝聚相参与成炭,提高了炭层的稳定性。热重红外联用(TG-FTIR)分析结果表明,DEP中的含磷基团在燃烧过程中分解产生含磷自由基,如·PO和·PO2,捕捉气相中的活性自由基·H和·OH,从而中断了链式反应。综上所述,DEP在凝聚相和气相中起到了显著的阻燃作用。通过动态流变、动态力学性能、熔体流动速率(MFR)等测试,探究DEP对PA6/MCA(MCA添加量为10 wt%)的扩链效果。随着DEP加入量的增大,熔体的储能模量、复数粘度及玻璃化转变温度均上升,MFR值则逐渐减小。当DEP含量为3 wt%时,PA6/MCA/DEP在温度为230℃,角频率为1.0 rad/s时的储能模量为191 Pa,相比于PA6/MCA增加了3倍。其复数粘度提高至1421 Pa·s,比PA6/MCA增加了2.2倍。其玻璃化转变温度为61.2℃,相比于PA6/MCA提高了8.9℃。其MFR为2.3 g/10 min,相比PA6/MCA下降了84.2%。DEP的加入会使得PA6的端氨基和端羧基含量下降。DEP的加入逐渐提高了PA6/MCA的拉伸强度和弯曲强度。固定MCA添加量为10 wt%,在DEP添加量为3 wt%时,材料的拉伸强度与弯曲强度分别比PA6/MCA提高了14.1%和11.3%。其拉伸强度和弯曲强度的提高主要来源于PA6分子量的增加,这也说明了DEP在PA6/MCA体系中起到扩链的效果。
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