基于協(xié)同成炭木粉-聚氯乙烯復(fù)合材料的阻燃抑煙研究.pdf

1、木塑復(fù)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(zhì)纖維材料(WF)作為填充或增強(qiáng)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(fù)合而制成的一類新型復(fù)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(lái)，PVC基木塑復(fù)合材料愈來(lái)愈引起人們的重視。與聚烯烴基復(fù)合材料相比，PVC基復(fù)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(yīng)用于建筑門窗，室內(nèi)裝飾，家俱等領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)，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(fù)合材料易于點(diǎn)燃，同時(shí)燃燒時(shí)有大量濃煙及毒氣放出。提高WF-PVC復(fù)合材料的阻燃抑煙性已成為該材料進(jìn)一步發(fā)展的必然要求。
　　本論文研究了WF-PVC復(fù)合材料的熱解及燃燒特點(diǎn)，制備了多種金屬化合物阻燃WF-PVC

3、復(fù)合材料，在WF-PVC復(fù)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(gè)部分:
　　第一部分:木粉-聚氯乙烯復(fù)合材料的熱解成炭行為以及對(duì)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(jié)構(gòu)體系的相互作用問(wèn)題，這一材料的阻燃十分復(fù)雜，相關(guān)研究剛剛起步。本章節(jié)通過(guò)熱失重(TG)，錐形量熱儀(Cone)和裂解-氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)機(jī)(Py

4、-GC/MS)方法研究了WF-PVC復(fù)合材料熱解及燃燒行為。
　　熱重分析顯示，WF-PVC復(fù)合材料熱解過(guò)程中，木粉與PVC存在著強(qiáng)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(fù)合材料的殘?zhí)苛俊Ｍ瑫r(shí)PVC熱解脫除的HCl作為酸性催化劑在一定程度上促進(jìn)了木粉的脫水成炭反應(yīng)。錐形量熱燃燒分析測(cè)試表明，木粉的加入對(duì)PVC的熱釋放及煙釋放均有積極的作用。與PVC相比，WF-PVC復(fù)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(jī)理上進(jìn)一步分析了木粉的添加對(duì)材料的熱解作用，WF-PVC復(fù)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(fù)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(guò)渡金屬氧化物對(duì)木粉-聚氯乙烯復(fù)合材料的阻燃抑煙研究。
　　鑒于過(guò)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(méi)有表現(xiàn)出一定的規(guī)律。通常我們認(rèn)為過(guò)渡金屬氧化物在PVC中的阻燃抑煙能力與其和HCl結(jié)合能力的強(qiáng)弱有關(guān)，但過(guò)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(duì)不同材料的阻燃抑煙作用很大一部分會(huì)取決于其催化選擇性。本部分選取第一過(guò)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(guò)渡金屬氧化物對(duì)木粉-聚氯乙烯復(fù)合材料的阻燃抑煙效

7、能。
　　熱重分析結(jié)果顯示，第一過(guò)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(guò)渡金屬氧化物提高了復(fù)合材料初始熱解溫度及熱解第一階段的反應(yīng)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(guò)渡金屬氧化物對(duì)復(fù)合材料熱解催化作用明顯，復(fù)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(shí)材料的質(zhì)量損失明顯降低;復(fù)合材料熱解后期，熱分解最大熱失重時(shí)對(duì)應(yīng)

8、的溫度升高。最大熱失重速率降低，同時(shí)成炭量有明顯增加;第一類過(guò)渡系金屬氧化物對(duì)復(fù)合材料燃燒過(guò)程影響較小，第二類過(guò)渡金屬氧化物對(duì)WF-PVC復(fù)合材料有良好的阻燃抑煙效果，復(fù)合材料的點(diǎn)燃時(shí)間被延長(zhǎng)，燃燒過(guò)程中，復(fù)合材料的熱及煙釋放降低顯著，燃燒結(jié)束后，殘?zhí)苛吭黾樱瑫r(shí)殘?zhí)啃蚊裁黠@改善;ZnO對(duì)WF-PVC復(fù)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(fù)合材料的總熱釋放降低36.4％，單位質(zhì)量材料的總煙產(chǎn)量降低55.0％，殘?zhí)抠|(zhì)量

9、增加56.4％，材料的點(diǎn)燃時(shí)間也由23s提高到141秒，大大降低了產(chǎn)生火災(zāi)的幾率。
　　第三部分:鋅類化合物及其二元復(fù)配體系對(duì)復(fù)合材料的阻燃抑煙作用。
　　過(guò)渡金屬氧化物，特別是ZnO已經(jīng)被證實(shí)對(duì)WF-PVC復(fù)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(jià)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(fù)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(tuán)對(duì)WF-PVC復(fù)合材料的阻燃抑煙作用。
　　熱重結(jié)果顯示，硼酸鋅、錫酸鋅及其復(fù)合體系的加入降低了復(fù)合材料的熱分解溫度，對(duì)復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性有不利的影響，與此同時(shí)熱解殘余物質(zhì)量大幅度增加，顯示了硼酸鋅、錫酸鋅及其復(fù)合體系具有良好的催化成炭效果。鉬酸鋅對(duì)復(fù)合材料的熱解反應(yīng)影響較小;硼酸鋅在復(fù)合材料中的熱解機(jī)理通過(guò)紅外分析測(cè)試

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

12、g。同時(shí)硼酸鋅與錫酸鋅組成的復(fù)合體系有明顯的協(xié)同阻燃效果，復(fù)合材料的總熱釋放量由36.44 kw m-2降低到17.57kw m-2;力學(xué)性能測(cè)試表明，硼酸鋅的添加對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度有不利的影響，但剛性粒子硼酸鋅有助于提高復(fù)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(fù)合材料中的應(yīng)用
　　硼磷酸鹽化合物具有豐富的結(jié)構(gòu)化學(xué)和組成化學(xué)，在光學(xué)、磁學(xué)、催化和離子交換等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。金屬硼磷酸鹽同時(shí)