【摘要】： 聚丙烯(PP)具有易加工、耐化學(xué)藥品等優(yōu)良特性,廣泛應(yīng)用于家電、建筑和汽車(chē)等領(lǐng)域,然而聚丙烯極易燃燒,使其應(yīng)用領(lǐng)域受到極大限制。本論文在大量文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上,綜述聚丙烯膨脹阻燃技術(shù)以及聚丙烯納米復(fù)合阻燃技術(shù)研究進(jìn)展,在聚丙烯阻燃新技術(shù)和阻燃機(jī)理等方面開(kāi)展了大量探索性工作,取得一系列原創(chuàng)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(xié)效阻燃體系。研究多孔金屬磷酸鹽與膨脹阻燃劑的協(xié)效作用,并深入探討該膨脹體系的協(xié)效阻燃機(jī)理：此外還制備膨脹阻燃聚丙烯／雙氫氧化物(LDH)納米復(fù)合材料,部分生物可降解聚丙烯阻燃復(fù)合材料以及具有耐水性好、阻燃效率優(yōu)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(jié)構(gòu)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(xié)效作用。極限氧指數(shù)(LOI)、UL94測(cè)試和錐型量熱計(jì)(Cone)研究結(jié)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(shí)顯著增加,材料具有更高的火災(zāi)安全性。與硼酸鋅(ZB)、4A分子篩、蒙脫土這些阻燃協(xié)效劑相比,在相同的添加量時(shí)VSB-1體系表現(xiàn)出最好的協(xié)效作用,添加VSB-1的阻燃PP能夠以最低的阻燃劑添加量達(dá)到UL94 V-0級(jí)。同時(shí),利用實(shí)時(shí)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(wěn)定性。利用掃描電鏡(SEM)對(duì)復(fù)合材料燃燒后殘余炭層形貌進(jìn)行表征,結(jié)果顯示含有VSB-1的膨脹炭層更加致密。力學(xué)測(cè)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(xué)性能。上述研究表明,在PP的基體中VSB-1對(duì)于膨脹阻燃劑具有明顯協(xié)效作用,添加適量的VSB-1大幅度提高阻燃PP的熱穩(wěn)定性和阻燃性能。VSB-1的添加是設(shè)計(jì)新型高效膨脹阻燃材料的有效途徑之一。

2.將過(guò)渡金屬離子(Fe, Zn)引入到VSB-1結(jié)構(gòu)中,通過(guò)水熱法合成兩種過(guò)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(xié)效作用。同時(shí)選擇另一種磷酸鹽-焦磷酸鐵(FePP),研究其與膨脹阻燃劑的協(xié)效作用及作用機(jī)理。LOI和UL94研究結(jié)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(shí)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(guò)熱重紅外聯(lián)用(TG-IR)研究發(fā)現(xiàn)PP/IFR/FePP復(fù)配體系的阻燃機(jī)理是凝聚相阻燃機(jī)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(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。通過(guò)熔融共混法制備膨脹阻燃PP/ZnAl(SDS)-LDH納米復(fù)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(jī)改性的LDH對(duì)膨脹阻燃PP的阻燃性能、熱穩(wěn)定性和結(jié)晶性能的影響,并且研究阻燃材料的制備工藝對(duì)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(shí)間質(zhì)譜相結(jié)合的技術(shù)研究PP真空熱裂解產(chǎn)物,并分析PP裂解機(jī)理；通過(guò)熔融共混制備PP/OMT/Ni2O3復(fù)合材料,研究不同因素如氣氛、溫度、組分等對(duì)該復(fù)合材料成炭機(jī)制的影響,結(jié)合上述同步輻射技術(shù)的研究結(jié)果闡述催化成炭機(jī)理,并研究材料的燃燒性能,為深入研究新型阻燃聚合物復(fù)合材料的理論研究和工程應(yīng)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(fù)合材料。選用微膠囊化包裹聚磷酸銨(MCAPP)作為阻燃劑,同時(shí)由于微膠囊的外表保護(hù)殼層的存在,MCAPP可阻止復(fù)合材料加工過(guò)程中聚磷酸銨(APP)與淀粉中的羥基之間的反應(yīng),提高阻燃復(fù)合材料的加工穩(wěn)定性。LOI、UL94、Cone和TGA結(jié)果表明將MCAPP加入淀粉基的PP復(fù)合材料后,材料的阻燃性和熱性能顯著提高。研究結(jié)果表明：將MCAPP加入到淀粉基的PP復(fù)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(lèi)衍生物成炭劑(CFA)復(fù)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(xié)效效應(yīng),CFA/MCAPP的復(fù)配比例對(duì)材料熱穩(wěn)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(dāng)二者以適當(dāng)比例復(fù)配后體系的阻燃性能顯著提高。只有CFA與合適比例復(fù)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(shí),材料的耐水性最好,在70℃熱水中浸泡168h后仍能達(dá)到UL94 V-0級(jí)。