插层改性高岭土在聚丙烯/膨胀阻燃体系的阻燃应用及机理分析

来源 :北京化工大学 | 被引量 : 6次 | 上传用户:cnm008
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聚丙烯(PP)是一种无毒、透明性好的聚合物,具有易加工、电绝缘性能优良等特点,被广泛应用于建筑、电线电缆等领域。PP极易燃烧(极限氧指数约为17.4),燃烧时产生大量的热并且伴有熔滴滴落,在一些阻燃等级要求较高的行业其应用受到了限制。目前,PP中应用广泛的阻燃剂为卤系阻燃剂和膨胀型阻燃剂(IFR),卤系阻燃剂的阻燃效率高,但是在燃烧过程中会放出大量的有毒气体;IFR具有环保、抗熔滴等优点,但添加量较大才可以起到优异的效果。一些层状纳米硅酸盐与IFR复配应用于阻燃聚合物,能够提高复合材料阻燃效率。  本文采用不同插层体成功改性高岭土,制备了高岭土插层复合物,并且与IFR复配使用,以降低IFR添加量、提高阻燃效率。利用X射线衍射仪(XRD)、热失重分析(TGA)、扫描电子显微镜(SEM)、及红外光谱分析(FTIR)对插层改性高岭土的结构进行了表征;通过锥型量热仪(CONE)、垂直燃烧等级测试(UL-94)、极限氧指数(LOI)和TGA对PP复合材料的燃烧性能及热稳定性进行表征;并且利用了SEM和FTIR对残炭的结构形态和成分进行分析。主要工作如下:  1.采用熔融插层法,使苯甲酰胺(Bz)和二甲基亚砜/高岭土前驱体(K-DMSO)在高温下反应,将Bz插入到高岭土层间,制备出高岭土/苯甲酰胺插层复合物(K-Bz)。XRD结果表明Bz小分子以两种形式存在于层间。将K-Bz和IFR复配加到PP基体中,当K-Bz添加量为1%时,PP/IFR/1%K-Bz的LOI从PP/IFR的27.3提高到31.6,同时PP/IFR/1%K-Bz的热释放速率峰值(pHRR)和总热释放量(THR)降低幅度较大。  2.第二部分制备了硫脲(Tu)/高岭土插层复合物(K-Tu),且研究其对PP复合材料阻燃性能的影响。利用甲醇(MeOH)和K-DMSO前驱体反应,替换层间的DMSO分子制备高岭土/甲醇复合物(K-MeOH),最后采用Tu置换MeOH小分子,制备K-Tu。XRD表明K-Tu相对于K层间距扩大了0.38nm。SEM和XRD表明在K-Tu在PP中的分散均匀,当1%的K-Tu代替IFR时,PP/IFR/K-Tu的UL-94能够达到Ⅴ-1级,且能够使pHRR和THR有效的降低。  3.首先,利用DMSO插层改性高岭土,破坏层间的氢键,然后采用醋酸钾(Kac)取代层间的DMSO分子,使层间距进一步扩大,为具有阻燃功能的甘氨酸(Gly)小分子的插层提供了有利条件。最终用Gly和第二步反应的产物作用。FTIR和XRD分析表明,Gly分子插入到高岭土层间,制备了高岭土/甘氨酸插层复合物(K-Gly)。SEM和XRD表明K-Gly形成了剥离结构,在材料中分散均匀。当1.5%的K-Gly代替IFR时,PP/IFR/K-Gly能使PP/IFR的LOI从27.3提高到32.9,且UL-94达到Ⅴ-0级;pHRR和THR均有较大幅度的降低,并且能够有效地抑制烟的生成。CONE测试后的残炭照片和SEM观察表明K-Gly的加入使炭层更加连续、致密。TGA结果表明K-Gly能够提高PP/IFR的热稳定性及最终的残炭量。
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