新型聚合物-氫氧化合物納米復(fù)合材料的制備、熱穩(wěn)定性及阻燃機(jī)理研究.pdf

1、聚合物/氫氧化合物納米復(fù)合材料將無(wú)機(jī)材料的剛性、尺寸形貌和熱穩(wěn)定性與聚合物的韌性、可加工性和介電性等結(jié)合在一起，因表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、氣體阻隔性等而受到廣泛關(guān)注，已成為材料科學(xué)研究的前沿。本文在大量文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，綜述了一維和二維形貌無(wú)機(jī)化合物基納米復(fù)合材料的最新研究進(jìn)展。在具體的研究工作中，作者以合成的一維(鋅基納米帶，氫氧化鑭納米線)和二維(層狀雙氫氧化物)氫氧化合物為主體材料，在對(duì)材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚碇?，分別采用單體

2、插層-原位聚合，協(xié)效-熔融共混，溶劑共混等方法制備了幾種典型的聚合物/氫氧化合物納米復(fù)合材料，并對(duì)材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，研究了材料的結(jié)構(gòu)與性能特別是氫氧化合物的組成尺度形貌與其熱穩(wěn)定性和燃燒性能的關(guān)系。對(duì)所制備的納米復(fù)合材料進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，燃燒分析(熱重和錐形量熱分析)和機(jī)理分析(熱解動(dòng)力學(xué)分析)等發(fā)現(xiàn)，在聚合物/氫氧化合物納米復(fù)合材料的燃燒降解過(guò)程中，既有層狀納米無(wú)機(jī)物的氣體阻隔作用，一維納米無(wú)機(jī)物的促進(jìn)成炭和交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作用也有因降解控

3、制步驟的改變而引起的活化能增大的能量阻隔作用機(jī)理。歸納起來(lái)，本文由以下四個(gè)部分組成： 第一，首先優(yōu)化了含鎂鐵的雙氫氧化物的制備條件，并以所制各的LDH和MMA單體為起始物通過(guò)原位聚合法制備了低含量高熱穩(wěn)定性的層離型納米復(fù)合材料。并對(duì)無(wú)機(jī)元素組分和層狀形貌對(duì)聚合物基體的熱穩(wěn)定化作用機(jī)理進(jìn)行了分析，以及通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析方法研究了納米復(fù)合材料的降解機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明有機(jī)改性的MgFe-LDH可以顯著的提高復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性，其作用原因一

4、方面由于納米級(jí)均勻分散的無(wú)機(jī)物片層的阻隔作用，另一方面由于層板上的結(jié)構(gòu)基元鐵離子發(fā)揮了捕獲自由基的作用。再通過(guò)納米復(fù)合材料熱解動(dòng)力學(xué)分析有理由判斷，納米復(fù)合材料中的穩(wěn)定化作用不僅與片層的物理阻隔作用有關(guān)，也應(yīng)當(dāng)與熱解反應(yīng)活化能變化即能量阻隔有關(guān)。 第二，通過(guò)共沉淀法和離子交換法合成了三種不同元素組成的雙氫氧化物，采用熔融共混方法制備了LDH和MH對(duì)EVA協(xié)效的納米復(fù)合材料體系，三種體系在5％LDH含量下均形成了層離型復(fù)合結(jié)構(gòu)。詳

5、細(xì)研究了MH/MgAl-LDH，MH/ZnAl-LDH和MH/MgFe-LDH三種協(xié)效體系對(duì)EVA的力學(xué)性能和阻燃性能的影響。動(dòng)態(tài)力學(xué)分析的結(jié)果表明LDH的片層促進(jìn)了MH在聚合物基體中的分散使得聚合物分子鏈段運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，納米復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變也呈現(xiàn)了相似的變化。利用錐形量熱儀對(duì)此納米復(fù)合材料進(jìn)行燃燒性能測(cè)試，三種納米復(fù)合材料的熱釋放速率及主要燃燒參數(shù)相對(duì)于EVA/MH組成的比較樣是顯著降低的，其中MH與MgAl-LDH具有最佳阻燃協(xié)效作

6、用。對(duì)材料的燃燒殘余物的形貌分析表明，含LDH的阻燃EVA納米復(fù)合材料在燃燒過(guò)程中能形成致密而連續(xù)的保護(hù)層，有效阻隔了材料在燃燒過(guò)程中氣體揮發(fā)物的擴(kuò)散和與燃燒環(huán)境問(wèn)能量的交換，提高燃燒殘留量，降低了材料的火災(zāi)危險(xiǎn)性。第三，在溫和的實(shí)驗(yàn)條件下合成了一維形貌的多組分無(wú)機(jī)納米帶。通過(guò)一系列表征證實(shí)了該納米帶有著長(zhǎng)程有序的結(jié)構(gòu)，其純度高、產(chǎn)量大、尺度均勻、表面潔凈。對(duì)煅燒后的產(chǎn)物也進(jìn)行了研究。這種新型的一維無(wú)機(jī)納米帶是堿性的，表面含有大量活性基

7、團(tuán)，易于和聚合物中的官能團(tuán)發(fā)生相互作用，比如聚丙烯酸酯類，聚碳酸酯以及含有羧基團(tuán)的其他聚合物體系，從而組成新型的聚合物/鋅基納米帶復(fù)合材料。 以鋅基納米帶為起始物通過(guò)溶液共混法制備了PVA基納米復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了未經(jīng)過(guò)修飾的無(wú)機(jī)納米帶與聚合物基體有良好的相容性，無(wú)機(jī)相含量為11.8％的納米復(fù)合材料仍具有90％以上的可見(jiàn)光透過(guò)率，并且鋅基納米帶在PVA的降解過(guò)程中起到了促進(jìn)成炭的作用。通過(guò)對(duì)復(fù)合材料炭渣的形貌分析，能夠進(jìn)一步

8、驗(yàn)證納米帶促進(jìn)成炭的機(jī)理。 以鋅基納米帶和MMA單體為起始物采用原位聚合法成功制備了PMMA基納米復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明因聚合物和納米帶之間的有效作用力可以使得納米帶均勻的分散于聚合物基體中，并且使得含量小于1wt％的納米復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性獲得了顯著的提高。這可能是因?yàn)橐痪S納米帶的表面組成使得其與單體在開(kāi)始形成了氫鍵作用，經(jīng)過(guò)聚合反應(yīng)后無(wú)機(jī)相和有機(jī)相之間形成縱橫交錯(cuò)，相互貫穿的類似交聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而大大限制了聚合物鏈段的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也