聚合物/铁蒙脱土纳米复合材料的制备及阻燃机理研究

【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)、ABS-PVC合金、聚丙烯(PP)和硅橡胶等典型聚合物，制备其纳米复合材料，研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： 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水热反应条件下，成功获得系列既具有不同层间距、结构单一而又在结构上含有Fe~(3+)离子的有机改性蒙脱土Fe-OMT_(Fe-Mg)和Fe-OMT_(Fe-Zn)，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Hoffman降解反应。 第二，通过原位聚合法制备了PMMA／Fe-OMT_(Fe-Mg)纳米复合材料，以PMMA／Na-OMT体系为比较样品，对比讨论PMMA／Fe-OMT_(Fe-Mg)和PMMA／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分析进一步表明在降解起始阶段，由于Fe~(3+)的催化作用使PMMA／Fe-OMT_(Fe-Mg)纳米复合材料的分解温度比PMMA／Na-OMT低，促进PMMA中主链的交联，有利于提高前者的热稳定性。 第三，熔融共混法制备了HIPS／Fe-OMT_(Fe-Zn)纳米复合材料，TG曲线表明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-OMT_(Fe-Zn)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和热重分析，深入研究HIPS／Fe-OMT_(Fe-Zn)纳米复合材料的热降解机理和动力学，并与燃烧性能结合，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