蒙脫土、纖維增強阻燃聚丙烯復合材料的結構與性能研究.pdf

1、聚丙烯(PP)作為五大通用塑料之一,具有密度小、易加工、吸濕性低、綜合力學性能好、耐化學腐蝕、電絕緣性能好等優(yōu)點,廣泛應用于建筑材料、電工電氣、通訊交通、家用電器等領域。然而,因PP的碳氫結構使PP極易燃燒(氧指數(shù)僅為17.4％左右),燃燒速率快并伴有熔滴,從而限制了聚丙烯材料的應用范圍,因此PP的阻燃研究日益受到工業(yè)和學術界的關注。阻燃劑的加入通常會破壞PP材料的整體性和連續(xù)性,使PP材料的力學性能惡化,進而影響了PP阻燃材料的應用。

2、因此,在提高PP材料阻燃性能的同時保持或提高阻燃材料的力學性能具有非常重要的意義。本論文選擇了三種增強材料(分別為納米蒙脫土OMMT、芳綸纖維AF和玻璃纖維GF)和兩種不同體系的阻燃材料復配應用到PP中,制備了高性能的聚丙烯阻燃復合材料。采用廣角X射線衍射儀(WXRD),透射掃描電子顯微鏡(TEM)對OMMT在PP基體中的分散形態(tài)和插層結構進行了表征；采用拉伸、彎曲和缺口沖擊試驗對PP復合材料的力學性能進行了測試；采用差示掃描量熱法(D

3、SC)、偏光顯微鏡(POM)對復合材料中PP的結晶性能進行了分析；采用熱重-差熱分析(TG-DTA)、氧指數(shù)(LOI)、垂直燃燒測試(UL-94)、錐形量熱(CONE)、掃描電子顯微鏡(SEM)和紅外光譜(FTIR)對PP復合材料的熱性能、阻燃性能、殘?zhí)拷Y構和形態(tài)進行了分析和表征,并對其阻燃機理進行了初步研究和推測。
　　 本論文歸納起來可以分為以下三個部分:
　　 第一部分以納米蒙脫土(OMMT)為增強材料,十溴二苯乙

4、烷仨氧化二銻(DBDPE／Sb2O3,D-S)和膨脹型阻燃劑(MPP／PER,IFR)為阻燃體系,分別制備了復合材料PP／OMMT、PP／D-S／OMMT和PP／IFR／OMMT。研究結果表明:相容劑PP-g-MAH的引入和阻燃劑D-S、IFR的添加均可以增大PP復合材料中OMMT的層間距,提高OMMT的分散性,獲得了較好的插層型或剝離型結構。OMMT在PP復合材料中起到了異相成核的作用,提高了PP的結晶速率和結晶度,使PP球晶更加細化

5、,排列更加緊密。另外,OMMT的納米結構和增強作用使復合材料PP／D-S／OMMT和PP／IFR／OMMT的拉伸強度和缺口沖擊強度均較純PP提高了許多,熱穩(wěn)定性和阻燃性能也有明顯改善。如其T50％分別較純PP提高了20～30℃,殘?zhí)苛孔罡叻謩e可達13.4％和24.4％,LOI最高分別可達24.2％和28.5％,UL-94等級最高分別可達V-0和V-1。復合材料PP／30phrD-S／5phrOMMT和PP／30phrIFR／5phrOM

6、MT的峰值熱釋放速率(PHRR)、平均熱釋放速率(AHRR)、熱釋放總量(THR)、平均質量損失率(AMLR)較純PP分別下降了60.2％和58.3％、52.7％和46.0％、34.7％和52.5％、31.2％和63.2％,且燃燒后殘?zhí)啃螒B(tài)不變,炭層結實。OMMT和D-S、IFR在PP材料中表現(xiàn)出了較好的阻燃協(xié)同效應。
　　 第二部分以芳綸纖維(AF)為增強材料,分別以D-S和IFR為阻燃材料,制備了復合材料PP／AF,PP／A

7、F／D-S和PP／AF／IFR。采用SEM,AFM和FTIR對AF的表面形態(tài)和結構分析表明磷酸酯偶聯(lián)劑成功地接枝到AF表面。偶聯(lián)劑改性的最佳實驗條件為:醇水質量比為9:1,浸漬時間為1h,偶聯(lián)劑濃度為1％。DSC和POM測試結果表明,AF在PP／AF材料中有異相成核作用,縮短了PP的結晶誘導期,提高了PP的結晶速率和結晶度,降低了PP的球晶尺寸；當AF含量為20phr時,PP／AF復合材料的綜合力學性能最佳。PP／AF／D-S和PP／A

8、F／IFR的T50％均較純PP提高了25～30℃,殘?zhí)苛孔罡叻謩e可達17.7％和24.4％,放熱晗的最大下降幅度分別為60.0％和59.3％,UL-94等級分別最高可達V-0和V-1。與純PP相比,復合材料PP／20phrAF／30phrD-S和PP／20phrAF／30phrIFR的PHRR、AHRR、THR、AMLR、AEHR分別下降了78.8％和75.8％、71.2％和50.6％、75.0％和69.7％、36.8％和60.5％、6

9、8.5％和23.1％,且其生煙量幾乎為零,殘?zhí)拷Y實形態(tài)無變化。AF的機械強度高、耐熱性能好,在PP復合材料中起到了“骨架”作用,可以承擔大部分的外界應力和載荷同時將其由局部向整體分散,從而提高了整個復合材料的力學性能。此外,AF燃燒后形態(tài)不變成炭量高,提高了PP復合材料的成炭量和熱穩(wěn)定性能,再輔以D-S的氣相阻燃作用和IFR的凝聚相膨脹炭層的保護作用,使復合材料PP／AF／D-S和PP／AF／IFR擁有優(yōu)異的阻燃性能。
　　 第

10、三部分以玻璃纖維(GF)為增強材料,同樣以D-S和IFR為阻燃材料,制備了復合材料PP／GF,PP／GF／D-S和PP／GF／IFR。同樣采用磷酸酯偶聯(lián)劑對GF表面進行改性處理。SEM、AFM和FTIR測試表明磷酸酯偶聯(lián)劑成功接枝到GF表面,提高了GF和PP之間的界面黏合性,其最佳改性條件為:醇水質量比9:1,浸漬時間為1h,偶聯(lián)劑濃度為1.5％。GF在PP復合材料中也有異相成核作用,提高了PP的結晶速率和結晶度,減小了PP的球晶尺寸；

11、當GF含量為40phr時,PP／GF復合材料的綜合力學性能最佳。GF的加入使PP／GF／D-S和PP／GF／IFR復合材料的力學性能均比PP／D-S和PP／IFR提高了許多,但GF的增強效果不如AF。復合材料PP／GF／D-S和PP／GF／IFR的T50％較純PP提高了20～40℃,殘?zhí)苛孔罡叻謩e可達17.7％和30.7％,放熱晗也有所下降。錐形量熱測試表明,與純PP相比,復合材料PP／20phrGF／30phrD-S和PP／20phr

12、GF／30phrIFR的PHRR、AHRR雖然均比純PP有所下降,但是其AHRR、AMLR分別比PP／D-S和PPaFR反而上升了24.6％和19.3％、59.4％和105.0％；且其殘?zhí)啃螒B(tài)變化明顯(尤其是PP／GF／IFR己完全熔融),殘?zhí)繌姸容^低。此外,復合材料PP／GF／D-S和PP／GF／IFR的LOI均比PP／D-S和PP／IFR低；PP／GF／D-S的UL-94等級最高僅為V-2級,而PP／GF／IFR的則均不合格。GF的