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【摘要】： 聚丙烯(PP)具有易加工、耐化學藥品等優良特性,廣泛應用于家電、建筑和汽車等領域,然而聚丙烯極易燃燒,使其應用領域受到極大限制。本論文在大量文獻調研的基礎上,綜述聚丙烯膨脹阻燃技術以及聚丙烯納米復合阻燃技術研究進展,在聚丙烯阻燃新技術和阻燃機理等方面開展了大量探索性工作,取得一系列原創性研究成果。
采用水熱合成的方法制備多種多孔金屬磷酸鹽,并將其與膨脹阻燃劑組成新型聚丙烯協效阻燃體系。研究多孔金屬磷酸鹽與膨脹阻燃劑的協效作用,并深入探討該膨脹體系的協效阻燃機理：此外還制備膨脹阻燃聚丙烯／雙氫氧化物(LDH)納米復合材料,部分生物可降解聚丙烯阻燃復合材料以及具有耐水性好、阻燃效率優異的新型膨脹阻燃聚丙烯材料等。
主要研究工作如下：
1.采用水熱合成的方法制備具有多孔結構的磷酸鎳(VSB-1),研究其在PP基體中與膨脹阻燃劑(IFR, APP/PER=2:1)的協效作用。極限氧指數(LOI)、UL94測試和錐型量熱計(Cone)研究結果表明添加適量VSB-1的膨脹阻燃PP的阻燃性能比未添加VSB-1時顯著增加,材料具有更高的火災安全性。與硼酸鋅(ZB)、4A分子篩、蒙脫土這些阻燃協效劑相比,在相同的添加量時VSB-1體系表現出最好的協效作用,添加VSB-1的阻燃PP能夠以最低的阻燃劑添加量達到UL94 V-0級。同時,利用實時紅外研究該膨脹體系的熱氧化分解行為,表明VSB-1的加入能夠提高材料的熱穩定性。利用掃描電鏡(SEM)對復合材料燃燒后殘余炭層形貌進行表征,結果顯示含有VSB-1的膨脹炭層更加致密。力學測試表明在保持阻燃性能相同的情況下,添加VSB-1能夠明顯減少阻燃劑的添加量,從而顯著改善阻燃材料的力學性能。上述研究表明,在PP的基體中VSB-1對于膨脹阻燃劑具有明顯協效作用,添加適量的VSB-1大幅度提高阻燃PP的熱穩定性和阻燃性能。VSB-1的添加是設計新型高效膨脹阻燃材料的有效途徑之一。
2.將過渡金屬離子(Fe, Zn)引入到VSB-1結構中,通過水熱法合成兩種過渡金屬離子摻雜的磷酸鎳鹽(TMIVSB-1),并研究TMIVSB-1在PP基體中與IFR的協效作用。同時選擇另一種磷酸鹽-焦磷酸鐵(FePP),研究其與膨脹阻燃劑的協效作用及作用機理。LOI和UL94研究結果表明,TMIVSB-1和FePP均能明顯提高IFR體系的阻燃性能。利用XPS分析受熱相同時間取得的樣品,研究表明,添加FePP可延遲基體的氧化分解,提高材料的耐熱性能。此外,通過熱重紅外聯用(TG-IR)研究發現PP/IFR/FePP復配體系的阻燃機理是凝聚相阻燃機理。 3.采用一步法制備十二烷基硫酸鈉改性的鋅鋁雙氫氧化物ZnAl (SDS)-LDH,并對其結構進行表征。通過熔融共混法制備膨脹阻燃PP/ZnAl(SDS)-LDH納米復合材料。采用LOI、熱重分析儀(TGA)和差熱掃描分析儀(DSC)等表征手段研究有機改性的LDH對膨脹阻燃PP的阻燃性能、熱穩定性和結晶性能的影響,并且研究阻燃材料的制備工藝對阻燃性能的影響。 4.利用同步輻射真空紫外單光子電離和飛行時間質譜相結合的技術研究PP真空熱裂解產物,并分析PP裂解機理；通過熔融共混制備PP/OMT/Ni2O3復合材料,研究不同因素如氣氛、溫度、組分等對該復合材料成炭機制的影響,結合上述同步輻射技術的研究結果闡述催化成炭機理,并研究材料的燃燒性能,為深入研究新型阻燃聚合物復合材料的理論研究和工程應用提供幫助。
5.采用熔融共混法制備淀粉(starch)基的部分生物可降解PP阻燃復合材料。選用微膠囊化包裹聚磷酸銨(MCAPP)作為阻燃劑,同時由于微膠囊的外表保護殼層的存在,MCAPP可阻止復合材料加工過程中聚磷酸銨(APP)與淀粉中的羥基之間的反應,提高阻燃復合材料的加工穩定性。LOI、UL94、Cone和TGA結果表明將MCAPP加入淀粉基的PP復合材料后,材料的阻燃性和熱性能顯著提高。研究結果表明：將MCAPP加入到淀粉基的PP復合材料,MCAPP與starch可形成膨脹阻燃體系,在高溫下能夠在材料表面形成膨脹炭層,起到隔熱、隔氧以及減緩可燃性氣體逸出的作用,從而提高材料的阻燃性能。
6.將MCAPP與大分子三嗪類衍生物成炭劑(CFA)復配為新型膨脹阻燃體系,制備新型膨脹阻燃PP材料。研究表明CFA/MCAPP之間存在協效效應,CFA/MCAPP的復配比例對材料熱穩定性和阻燃性能具有重要影響。PP/MCAPP和PP/CFA均易燃燒,然而當二者以適當比例復配后體系的阻燃性能顯著提高。只有CFA與合適比例復配,體系才能形成致密的膨脹炭層。耐水性研究表明CFA/MCAPP=1:2時,材料的耐水性最好,在70℃熱水中浸泡168h后仍能達到UL94 V-0級。
