聚合物铁蒙脱土纳米复合材料的制备及阻燃机理研究.pdf

中国科学技术大学

博士学位论文

聚合物/铁蒙脱土纳米复合材料的制备及阻燃机理研究

姓名：孔庆红

申请学位级别：博士

专业：安全技术及工程

指导教师：胡源;陈祖耀

20060501
摘要聚合物／层状硅酸盐纳米复合材料由于其优良的热稳定性、气体阻隔性、阻凝聚相的催化成炭和自由基捕获技术的结合有望发展成为聚合物材料的新型阻ABS．PVC合金、聚丙烯(PP)和硅橡胶等典型聚合物，制各其纳米复合材料，研第一，采用原位合成有机改性铁蒙脱土(Fe．OMT)，即在有机改性剂存在的Fe3+离子的有机改性蒙脱土Fe．OMTFe．M。和Fe—OMTF。_Z。，简化了制备工艺；Fe．MMT和Fe．OMT的热失重分析比较说明，后者更容易受热降解，过程符合第二，通过原位聚合法制备了PMMA／Fe—OMTFe．M。纳米复合材料，以PMM～，Na—OMT两种纳米复合材料的结构和性能关系，在纳米复合材料形成中铁蒙脱土促进MMA单体在层间的聚合，改善片层分散性。TG分析进一步表明解温度比PMMA俏a-OMT低，促进PMMA中主链的交联，有利于提高前者的纳米复合材料的热稳定性得到了显著提高，燃烧性能结果显示HIPS／Fe·OMTF。-zn析，深入研究HIPS／Fe．OMTF。Iz。纳米复合材料的热降解机理和动力学，并与燃烧燃和力学等性能，近年来倍受关注，作者结合国内外文献调研和本课题组的有关工作基础，综述聚合物／无机物纳米复合材料的最新研究进展，认为纳米复合与燃技术。本文从制备具有催化活性和自由基捕获作用的有机改性铁蒙脱土(Fe．OMT)出发，选取聚甲基丙烯酸甲]酯(PMMA)、高抗冲聚苯乙烯(HIPS)、究它们的结构与热稳定性、燃烧性能等之间的关系；通过裂解．色谱．质谱(Py．GC．MS)和热重分析，研究聚合物纳米复合材料的裂解机制和热解动力学，分析Fe—OMT与基体中含卤和无卤阻燃剂的阻燃协效作用机理，探索制备高效阻燃材料的新途径。主要研究内容如下：水热反应条件下，成功获得系列既具有不同层问距、结构单一而又在结构上含有Hoffman降解反应。PMMA／Na．OMT体系为比较样品，对比讨论PMMA／Fe．OMTFe-Mg和在降解起始阶段，由于Fe3+的催化作用使PMMA／Fe．OMTFe-M。纳米复合材料的分热稳定性。第三，熔融共混法制备了HIPS／Fe．OMTFe．z。纳米复合材料，TG曲线表明纳米复合材料的热释放速率峰值(pHRR)有明显降低。通过Py—GC—MS和热重分性能结合，综合研究其阻燃机理和火灾危险性，结果表明，增强的炭化层阻隔作中国科学技术大学博士学位论文
料，TG和Pv—GC．MS研究表明Fe"和Zn2+在ABS—PVC燃烧和降解过程中通过Lewis酸作用机理，能促进HCl提前放出，使主链交联程度增加，最终增加成炭在复合材料中的阻燃作用更为明显。同时详细研究了ABS—PVC／Fe．OMTF。_Z。纳米复合材料的燃烧性能，Fe—OMTFc_z。使ABS．PVC基体的阻燃性能得到明显改善，与Na-OMT相比提高了材料的极限氧指数(LOI)，能有效防止熔融滴落现象，合材料在热性能、燃烧性能和力学性能等方面的对比，阻燃体系中有良好的协效作用，提高了材料的热稳定性、LOI和阻燃级别(uL94)，热稳定性；凝胶含量和力学性能研究显示在橡胶硫化的过程中，Fe”起了抗氧剂的作用，阻止了橡胶的交联。用、能量阻隔作用和自由基捕获作用是Fe-OMTF。_Z。影响HIPS燃烧性能的主要原因。第四，采用熔融共混法制备层离／插层型ABS．PVC／Fe—OMTF。-Z。纳米复合材量，达到提高阻燃抑烟的目的；与具有同样添加量的Na-OMT相比，Fe—OMTFe．z。表明Fe—OMTF。锄和ABS．PVC两者之间具有很好的抑烟和阻燃协效作用。第五，用熔融共混法制备了PP／(ATH，Fe—OMTFe-Zn)具有层离或插层纳米结构的阻燃材料。通过与PP／ATH、PP／(ATH，Na-OMT)和PP／(ATH，Fe203，ZnO)等复Fe．OMTF。zn在PP／ATH消除PP在燃烧过程中的熔融滴落现象，而且在土的含量较少时，能提高材料的力学性能。热重和Py—GC—MS分析表明Fe一0MTF。-Zn在PP／ATH中的阻燃协效作用不仅仅是片层的阻隔，还有催化成炭，促进了PP链的交联，减少小分子烯烃的释放。第六，采用溶液插层法制各硅橡胶(SR)／Fe—OMTF。_Zn纳米复合材料，与SR／Na-OMT相比，TGA结果表明硅酸盐片层结构上的Fe3+更有利于提高SR的中国科学技术大学搏士学位论文摘要
flammabilitythermalthermogravimetricdetml．ThenunocompositesbymechanismandefficiencyFe—OM