聚合物-鐵蒙脫土納米復(fù)合材料的制備及阻燃機(jī)理研究.pdf

1、聚合物/層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料由于其優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、氣體阻隔性、阻燃和力學(xué)等性能，近年來倍受關(guān)注，作者結(jié)合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研和本課題組的有關(guān)工作基礎(chǔ)，綜述聚合物/無機(jī)物納米復(fù)合材料的最新研究進(jìn)展，認(rèn)為納米復(fù)合與凝聚相的催化成炭和自由基捕獲技術(shù)的結(jié)合有望發(fā)展成為聚合物材料的新型阻燃技術(shù)。本文從制備具有催化活性和自由基捕獲作用的有機(jī)改性鐵蒙脫土(Fe-OMT)出發(fā)，選取聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、高抗沖聚苯乙烯(HIPS)、ABS-PVC合金

2、、聚丙烯(PP)和硅橡膠等典型聚合物，制備其納米復(fù)合材料，研究它們的結(jié)構(gòu)與熱穩(wěn)定性、燃燒性能等之間的關(guān)系；通過裂解-色譜-質(zhì)譜(Py-GC-MS)和熱重分析，研究聚合物納米復(fù)合材料的裂解機(jī)制和熱解動(dòng)力學(xué)，分析Fe-OMT與基體中含鹵和無鹵阻燃劑的阻燃協(xié)效作用機(jī)理，探索制備高效阻燃材料的新途徑。主要研究?jī)?nèi)容如下： 第一，采用原位合成有機(jī)改性鐵蒙脫土(Fe-OMT)，即在有機(jī)改性劑存在的水熱反應(yīng)條件下，成功獲得系列既具有不同層間距、

3、結(jié)構(gòu)單一而又在結(jié)構(gòu)上含有Fe3+離子的有機(jī)改性蒙脫土Fe-OMTFe-Mg和Fe-OMTFe-Zn，簡(jiǎn)化了制備工藝；Fe-MMT和Fe-OMT的熱失重分析比較說明，后者更容易受熱降解，過程符合Hoffman降解反應(yīng)。 第二，通過原位聚合法制備了PMMA/Fe-OMTFe-Mg納米復(fù)合材料，以PMMA/Na-OMT體系為比較樣品，對(duì)比討論P(yáng)MMA/Fe-OMTFe-Mg和PMMA/Na-OMT兩種納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系，在納

4、米復(fù)合材料形成中鐵蒙脫土促進(jìn)MMA單體在層間的聚合，改善片層分散性。TG分析進(jìn)一步表明在降解起始階段，由于Fe3+的催化作用使PMMA/Fe-OMTFe-Mg納米復(fù)合材料的分解溫度比PMMA/Na-OMT低，促進(jìn)PMMA中主鏈的交聯(lián)，有利于提高前者的熱穩(wěn)定性。 第三，熔融共混法制備了HIPS/Fe-OMTFe-Zn納米復(fù)合材料，TG曲線表明納米復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性得到了顯著提高，燃燒性能結(jié)果顯示HIPS/Fe-OMTFe-Zn納米

5、復(fù)合材料的熱釋放速率峰值(pHRR)有明顯降低。通過Py-GC-MS和熱重分析，深入研究HIPS/Fe-OMTFe-Zn納米復(fù)合材料的熱降解機(jī)理和動(dòng)力學(xué)，并與燃燒性能結(jié)合，綜合研究其阻燃機(jī)理和火災(zāi)危險(xiǎn)性，結(jié)果表明，增強(qiáng)的炭化層阻隔作用、能量阻隔作用和自由基捕獲作用是Fe-OMTFe-Zn影響HIPS燃燒性能的主要原因。 第四，采用熔融共混法制備層離/插層型ABS-PVC/Fe-OMTFe-Zn納米復(fù)合材料，TG和Py-GC-MS

6、研究表明Fe3+和Zn2+在ABS-PVC燃燒和降解過程中通過Lewis酸作用機(jī)理，能促進(jìn)HCl提前放出，使主鏈交聯(lián)程度增加，最終增加成炭量，達(dá)到提高阻燃抑煙的目的；與具有同樣添加量的Na-OMT相比，F(xiàn)e-OMTFe-Zn在復(fù)合材料中的阻燃作用更為明顯。同時(shí)詳細(xì)研究了ABS-PVC/Fe-OMTFe-Zn納米復(fù)合材料的燃燒性能，F(xiàn)e-OMTFe-Zn使ABS-PVC基體的阻燃性能得到明顯改善，與Na-OMT相比提高了材料的極限氧指數(shù)(

7、LOI)，能有效防止熔融滴落現(xiàn)象，表明Fe-OMTFe-Zn和ABS-PVC兩者之間具有很好的抑煙和阻燃協(xié)效作用。 第五，用熔融共混法制備了PP/(ATH，F(xiàn)e-OMTFe-Zn)具有層離或插層納米結(jié)構(gòu)的阻燃材料。通過與PP/ATH、PP/(ATH，Na-OMT)和PP/(ATH，F(xiàn)e2O3，ZnO)等復(fù)合材料在熱性能、燃燒性能和力學(xué)性能等方面的對(duì)比，F(xiàn)e-OMTFe-Zn在PP/ATH阻燃體系中有良好的協(xié)效作用，提高了材料的熱

8、穩(wěn)定性、LOI和阻燃級(jí)別(UL94)，消除PP在燃燒過程中的熔融滴落現(xiàn)象，而且在土的含量較少時(shí)，能提高材料的力學(xué)性能。熱重和Py-GC-MS分析表明Fe-OMTFe-Zn在PP/ATH中的阻燃協(xié)效作用不僅僅是片層的阻隔，還有催化成炭，促進(jìn)了PP鏈的交聯(lián)，減少小分子烯烴的釋放。 第六，采用溶液插層法制備硅橡膠(SR)/Fe--OMTFe-Zn納米復(fù)合材料，與SR/Na-OMT相比，TGA結(jié)果表明硅酸鹽片層結(jié)構(gòu)上的Fe3+更有利于提