基于協(xié)同成炭木粉-聚氯乙烯復合材料的阻燃抑煙研究.pdf

1、木塑復合材料(Wood-Plasitic Composites，縮寫為WPC)是一類以纖維、粉末等形態(tài)的木質纖維材料(WF)作為填充或增強材料，以熱塑性塑料為基體材料，添加各類助劑經(jīng)擠出、熱壓、模壓或注塑等多種加工手段復合而制成的一類新型復合材料。常用的熱塑性塑料基體包括聚乙烯(PE)，聚丙烯(PP)，聚苯乙烯(PS)及聚氯乙烯(PVC)等。近年來，PVC基木塑復合材料愈來愈引起人們的重視。與聚烯烴基復合材料相比，PVC基復合材料具有更

2、好的硬度，抗蠕變性，耐磨，耐刮擦及外觀效果，其被廣泛應用于建筑門窗，室內裝飾，家俱等領域。在這些領域應用時，材料的防火性是保證材料安全使用的重要因素。盡管PVC具有良好的阻燃性，但大量木粉及低分子助劑的加入使得WF-PVC復合材料易于點燃，同時燃燒時有大量濃煙及毒氣放出。提高WF-PVC復合材料的阻燃抑煙性已成為該材料進一步發(fā)展的必然要求。
　　本論文研究了WF-PVC復合材料的熱解及燃燒特點，制備了多種金屬化合物阻燃WF-PVC

3、復合材料，在WF-PVC復合材料阻燃抑煙研究方面開展了一系列探索性研究工作，并取得了一定的原創(chuàng)性研究成果。
　　論文主要包括以下四個部分:
　　第一部分:木粉-聚氯乙烯復合材料的熱解成炭行為以及對燃燒性能的影響。
　　由于涉及木材阻燃、PVC的阻燃抑煙以及這兩類具有不同組成和結構體系的相互作用問題，這一材料的阻燃十分復雜，相關研究剛剛起步。本章節(jié)通過熱失重(TG)，錐形量熱儀(Cone)和裂解-氣相色譜/質譜聯(lián)機(Py

4、-GC/MS)方法研究了WF-PVC復合材料熱解及燃燒行為。
　　熱重分析顯示，WF-PVC復合材料熱解過程中，木粉與PVC存在著強烈的相互作用。一方面木粉的加入降低了PVC初始熱分解溫度，另一方面增加了復合材料的殘?zhí)苛俊Ｍ瑫rPVC熱解脫除的HCl作為酸性催化劑在一定程度上促進了木粉的脫水成炭反應。錐形量熱燃燒分析測試表明，木粉的加入對PVC的熱釋放及煙釋放均有積極的作用。與PVC相比，WF-PVC復合材料的平均熱釋放速率(av-

5、HRR)及最大熱釋放速率(pk-HRR)分別降低了14％和28％。煙釋放速率同樣有一定程度的降低。Py-GC/MS從機理上進一步分析了木粉的添加對材料的熱解作用，WF-PVC復合材料的熱解產(chǎn)物與PVC熱解產(chǎn)物在種類及數(shù)量上有明顯的不同。木粉的加入使得復合材料熱解產(chǎn)物中HCl及芳烴化合物的量有明顯降低，而脂肪族化合物有很大程度的提高。
　　第二部分:過渡金屬氧化物對木粉-聚氯乙烯復合材料的阻燃抑煙研究。
　　鑒于過渡金屬氧化物

6、已經(jīng)在PVC材料中表現(xiàn)出良好的阻燃抑煙效果，但另一方面又沒有表現(xiàn)出一定的規(guī)律。通常我們認為過渡金屬氧化物在PVC中的阻燃抑煙能力與其和HCl結合能力的強弱有關，但過渡金屬氧化物在材料熱解及燃燒中又大多具有催化作用，其對不同材料的阻燃抑煙作用很大一部分會取決于其催化選擇性。本部分選取第一過渡系金屬氧化物TiO2，F(xiàn)e2O3，NiO，CuO，ZnO，研究了在相同摩爾金屬離子數(shù)的情況下上述幾種過渡金屬氧化物對木粉-聚氯乙烯復合材料的阻燃抑煙效

7、能。
　　熱重分析結果顯示，第一過渡系金屬氧化物可劃分為兩類:第一類以TiO2為代表，第二類主要為Fe2O3，NiO，CuO，ZnO;第一類過渡金屬氧化物提高了復合材料初始熱解溫度及熱解第一階段的反應活化能，熱解前期材料的熱分解穩(wěn)定性有一定程度的提高;第二類過渡金屬氧化物對復合材料熱解催化作用明顯，復合材料的初始熱分解溫度降低，熱解第一階段最大熱失重速率顯著升高，同時材料的質量損失明顯降低;復合材料熱解后期，熱分解最大熱失重時對應

8、的溫度升高。最大熱失重速率降低，同時成炭量有明顯增加;第一類過渡系金屬氧化物對復合材料燃燒過程影響較小，第二類過渡金屬氧化物對WF-PVC復合材料有良好的阻燃抑煙效果，復合材料的點燃時間被延長，燃燒過程中，復合材料的熱及煙釋放降低顯著，燃燒結束后，殘?zhí)苛吭黾?，同時殘?zhí)啃蚊裁黠@改善;ZnO對WF-PVC復合材料的阻燃抑煙效果最為顯著，較之未阻燃樣品，ZnO阻燃復合材料的總熱釋放降低36.4％，單位質量材料的總煙產(chǎn)量降低55.0％，殘?zhí)抠|量

9、增加56.4％，材料的點燃時間也由23s提高到141秒，大大降低了產(chǎn)生火災的幾率。
　　第三部分:鋅類化合物及其二元復配體系對復合材料的阻燃抑煙作用。
　　過渡金屬氧化物，特別是ZnO已經(jīng)被證實對WF-PVC復合材料材料有良好的阻燃抑煙作用。在PVC的阻燃抑煙研究中，某些二價金屬的鹽類作為阻燃抑煙劑或協(xié)效劑填入到PVC中，同樣具有明顯的效果。本章節(jié)選取錫酸鋅(SnZnO3)，硼酸鋅(2ZnO·3B2O3·3.5H2O)和鉬酸

10、鋅(ZnMoO4)三種鋅鹽作為阻燃抑煙劑添加到WF-PVC復合材料中。研究了鋅鹽中分解產(chǎn)生的鋅化合物及其相連基團對WF-PVC復合材料的阻燃抑煙作用。
　　熱重結果顯示，硼酸鋅、錫酸鋅及其復合體系的加入降低了復合材料的熱分解溫度，對復合材料的熱穩(wěn)定性有不利的影響，與此同時熱解殘余物質量大幅度增加，顯示了硼酸鋅、錫酸鋅及其復合體系具有良好的催化成炭效果。鉬酸鋅對復合材料的熱解反應影響較小;硼酸鋅在復合材料中的熱解機理通過紅外分析測試

11、進行了表征。C-H基團的減少及C=C基團的增加證實了阻燃抑煙劑硼酸鋅有利于催化復合材料發(fā)生交聯(lián)及成炭反應;錐形量熱儀燃燒測試表明，硼酸鋅及錫酸鋅為WF-PVC復合材料有效的阻燃抑煙劑。復合材料的點燃時間被大大延長，如錫酸鋅的加入使復合材料的點燃時間由23秒提高到214秒。復合材料的煙釋放及熱釋放大幅度降低，單位質量木粉-聚氯乙烯復合材料的產(chǎn)煙量為463.4m2/Kg，硼酸鋅及錫酸鋅復合材料的產(chǎn)煙量分別降低為230.8及200.5m2/K

12、g。同時硼酸鋅與錫酸鋅組成的復合體系有明顯的協(xié)同阻燃效果，復合材料的總熱釋放量由36.44 kw m-2降低到17.57kw m-2;力學性能測試表明，硼酸鋅的添加對復合材料的力學強度有不利的影響，但剛性粒子硼酸鋅有助于提高復合材料的模量。
　　第四部分:鋅硼磷酸銨鹽的合成、表征及在WF-PVC復合材料中的應用
　　硼磷酸鹽化合物具有豐富的結構化學和組成化學，在光學、磁學、催化和離子交換等領域具有重要的應用。金屬硼磷酸鹽同時