羥基錫酸鋅基納米雜化阻燃劑的制備及其在聚合物中阻燃性能的研究.pdf

1、羥基錫酸鋅（ZnSn(OH)6，ZHS），一種具有典型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的羥基化合物，它能在聚合物中表現(xiàn)出優(yōu)異的阻燃和抑煙性能，是一種相對(duì)綠色高效的無(wú)機(jī)阻燃抑煙劑。但是， ZHS與其它無(wú)機(jī)阻燃劑一樣，與聚合物相容性差；此外，ZHS性價(jià)比不高。針對(duì)上述問(wèn)題，本文以ZHS納米顆粒為基體，選擇一種含磷、硅的阻燃劑（DOPO-VTS）對(duì)ZHS表面進(jìn)行修飾，制備了DOPO-VTS-ZHS納米雜化顆粒。主要利用有機(jī)修飾劑提高ZHS納米顆粒在聚合物基體中的相

2、容性；同時(shí)，利用有機(jī)阻燃修飾劑自身阻燃特性增強(qiáng)ZHS的阻燃性能，提升ZHS的性價(jià)比。與此同時(shí)，將ZHS修飾到氧化石墨烯（GO）表面，制備一種新型的ZHS/GO納米雜化阻燃劑。利用GO提高ZHS在聚合物中的相容性；而且GO獨(dú)特的二維層狀結(jié)構(gòu)和大比表面可以促進(jìn)聚合物表面形成致密連續(xù)的炭層，這種炭層可以阻隔熱和氣體的傳遞，進(jìn)而提高聚合物的阻燃性能，即利用GO的阻燃特性協(xié)效增強(qiáng)ZHS的阻燃性能，提升ZHS的性價(jià)比。分別通過(guò)X射線粉末衍射儀（XR

3、D）、傅立葉紅外光譜（FT-IR）、透射電子顯微鏡（TEM）等多種表征儀器對(duì)DOPO-VTS-ZHS和ZHS/GO兩種產(chǎn)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)和形貌表征。然后利用氧指數(shù)儀、熱分析儀、錐形量熱儀、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)等對(duì)阻燃劑在軟質(zhì)聚氯乙烯（PVC）和環(huán)氧樹(shù)脂（EP）中的熱穩(wěn)定性、阻燃性能和力學(xué)性能進(jìn)行研究。最后用掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線光電子能譜儀（XPS）分析其燃燒后的炭層形貌和結(jié)構(gòu)，確定阻燃機(jī)理。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴通過(guò)簡(jiǎn)單的沉淀法

4、成功的合成了DOPO-VTS修飾的ZHS納米雜化顆粒。形貌和結(jié)構(gòu)表征結(jié)果表明，DOPO-VTS修飾并未改變ZHS的晶型，且DOPO-VTS修飾后的ZHS團(tuán)聚減弱，樣品由親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?。DOPO-VTS-ZHS在PVC中的最佳添加量為7 wt.％。在此條件下，相對(duì)純PVC的殘?zhí)苛浚?.63%），ZHS、DOPO-VTS、DOPO-VTS-ZHSC三種阻燃劑均能提高 PVC的殘?zhí)苛浚謩e達(dá)到0.82%、0.75%、1.36%。其中DOP

5、O-VTS-ZHS的成炭作用最明顯；拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果表明，相對(duì)于純PVC，三種納米顆粒均能提高PVC的力學(xué)性能，其中DOPO-VTS-ZHS的效果最好；氧指數(shù)（LOI）測(cè)試結(jié)果顯示，相對(duì)純PVC，三種阻燃劑均能提高PVC的LOI值，分別由純PVC的25.8提高到28.9、26.6、30.2。錐形量熱測(cè)試（Cone test）結(jié)果表明DOPO-VTS-ZHS明顯降低材料熱分解過(guò)程中的熱釋放速率峰值（pHRR）、熱釋放總量（THR）、煙釋放

6、總量（TSR），相對(duì)純PVC，分別降低了39%、49.8%、59.8%；上述測(cè)試結(jié)果表明：DOPO-VTS修飾后的ZHS具有更好的阻燃效果，能夠明顯提高 PVC的阻燃性能和力學(xué)性能。SEM殘?zhí)啃蚊卜治鼋沂綝OPO-VTS-ZHS在PVC中燃燒后的炭層更加致密連續(xù)，說(shuō)明硅在其中起到加固炭層的的作用。殘?zhí)康腦PS分析表明燃燒時(shí)Si聚集在殘?zhí)康耐獗砻孀鳛樘繉釉鰪?qiáng)劑阻止聚合物進(jìn)一步燃燒，從而導(dǎo)致PVC的阻燃性能提升。ZHS、DOPO-VTSZ、

7、DOPO-VTS-ZHS在EP中結(jié)果與在PVC中類(lèi)似，三者均能提高EP的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能，其中DOPO-VTS-ZHS的效果最明顯；SEM炭層分析表明DOPO-VTS-ZHS在EP中燃燒后的炭層也更加致密連續(xù)。⑵通過(guò)簡(jiǎn)單的溶液法制備了ZHS/GO納米雜化阻燃劑，形貌和結(jié)構(gòu)表征結(jié)果表明ZHS納米顆粒通過(guò)靜電作用力與 GO納米片結(jié)合在一起。并將 ZHS、GO、ZHS/GO三種納米顆粒分別添加到PVC中考察察它們對(duì)PVC阻燃性能和力學(xué)性能的

8、影響。TGA結(jié)果表明將ZHS/GO添加到PVC中可以有效地促進(jìn)殘?zhí)康男纬桑◤募働VC的0.5%增加到5.1%）以及明顯的減小了質(zhì)量損失的峰值。氧指數(shù)結(jié)果表明：ZHS、GO、ZHS/GO都能提高PVC的氧指數(shù)值，從純PVC的24.5分別提高到27.2、25.9、28.5，其中ZHS/GO的效果最好。錐形量熱測(cè)試結(jié)果同樣表明三種阻燃劑中ZHS/GO的阻燃效果最好，明顯降低材料降解時(shí)熱量和煙的釋放。最后，拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果表明ZHS/GO明顯提