蒙脫土、纖維增強(qiáng)阻燃聚丙烯復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)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(xué)性能好、耐化學(xué)腐蝕、電絕緣性能好等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于建筑材料、電工電氣、通訊交通、家用電器等領(lǐng)域。然而,因PP的碳?xì)浣Y(jié)構(gòu)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(yīng)用范圍,因此PP的阻燃研究日益受到工業(yè)和學(xué)術(shù)界的關(guān)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(xué)性能惡化,進(jìn)而影響了PP阻燃材料的應(yīng)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(xué)性能具有非常重要的意義。本論文選擇了三種增強(qiáng)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(fù)配應(yīng)用到PP中,制備了高性能的聚丙烯阻燃復(fù)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(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征；采用拉伸、彎曲和缺口沖擊試驗對PP復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了測試；采用差示掃描量熱法(D

3、SC)、偏光顯微鏡(POM)對復(fù)合材料中PP的結(jié)晶性能進(jìn)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(fù)合材料的熱性能、阻燃性能、殘?zhí)拷Y(jié)構(gòu)和形態(tài)進(jìn)行了分析和表征,并對其阻燃機(jī)理進(jìn)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(qiáng)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(fù)合材料PP／OMMT、PP／D-S／OMMT和PP／IFR／OMMT。研究結(jié)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(fù)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(jié)構(gòu)。OMMT在PP復(fù)合材料中起到了異相成核的作用,提高了PP的結(jié)晶速率和結(jié)晶度,使PP球晶更加細(xì)化

5、,排列更加緊密。另外,OMMT的納米結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)作用使復(fù)合材料PP／D-S／OMMT和PP／IFR／OMMT的拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)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(dá)13.4％和24.4％,LOI最高分別可達(dá)24.2％和28.5％,UL-94等級最高分別可達(dá)V-0和V-1。復(fù)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(zhì)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(jié)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(yīng)。
　　 第二部分以芳綸纖維(AF)為增強(qiáng)材料,分別以D-S和IFR為阻燃材料,制備了復(fù)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(jié)果表明,AF在PP／AF材料中有異相成核作用,縮短了PP的結(jié)晶誘導(dǎo)期,提高了PP的結(jié)晶速率和結(jié)晶度,降低了PP的球晶尺寸；當(dāng)AF含量為20phr時,PP／AF復(fù)合材料的綜合力學(xué)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(dá)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(dá)V-0和V-1。與純PP相比,復(fù)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(jié)實形態(tài)無變化。AF的機(jī)械強(qiáng)度高、耐熱性能好,在PP復(fù)合材料中起到了“骨架”作用,可以承擔(dān)大部分的外界應(yīng)力和載荷同時將其由局部向整體分散,從而提高了整個復(fù)合材料的力學(xué)性能。此外,AF燃燒后形態(tài)不變成炭量高,提高了PP復(fù)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(hù)作用,使復(fù)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(qiáng)材料,同樣以D-S和IFR為阻燃材料,制備了復(fù)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(jìn)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(zhì)量比9:1,浸漬時間為1h,偶聯(lián)劑濃度為1.5％。GF在PP復(fù)合材料中也有異相成核作用,提高了PP的結(jié)晶速率和結(jié)晶度,減小了PP的球晶尺寸；

11、當(dāng)GF含量為40phr時,PP／GF復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能最佳。GF的加入使PP／GF／D-S和PP／GF／IFR復(fù)合材料的力學(xué)性能均比PP／D-S和PP／IFR提高了許多,但GF的增強(qiáng)效果不如AF。復(fù)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(dá)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(fù)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?qiáng)度較低。此外,復(fù)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