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层状结构PVC抑烟剂的结构设计及性能研究

黄小强  
【摘要】:聚氯乙烯(PVC)作为重要的化工原材料,在工业和生活中具有广泛的应用。但是PVC在燃烧过程中会释放出大量的芳烃类有毒气体与烟尘颗粒,对人类生命和财产安全造成了严重危害。层状复合金属氢氧化物(LDHs)作为具有抑烟作用的无卤阻燃剂被广泛关注并已投入工业生产应用,但主要是针对其阻燃性能进行结构设计和性能研究,抑烟只是作为阻燃作用的附带性能,没有针对其抑烟机理进行研究,不利于提高LDHs对PVC的抑烟性能。因此,开展LDHs对PVC抑烟性能与抑烟机理的研究具有重要的理论意义与实际价值。本论文利用LDHs组成结构的可调控性,通过在层板引入Zn元素,采用成核/晶化隔离法制备得到系列MgZnAl-LDHs和ZnAl-LDHs等锌基层状结构抑烟材料。研究发现,随着LDHs层板上Zn元素含量的增加,抑烟性能逐渐提升,当Zn/Al摩尔比值为2.5时,ZnAl-LDHs对PVC的抑烟作用最强,当添加量为5 phr时即可使PVC最大烟密度值从595.58下降至286.77,降幅达到51.8%;而当Zn/Al摩尔比值为2时,在添加5 phr ZnAl-LDHs情况下,PVC样品最大烟密度值为313.36,下降了 47.4%。在此基础上,基于制备的方便,分别采用尿素法和原子经济反应法制备了具有不同粒径大小的Zn/Al=2的ZnAl-LDHs抑烟剂,烟密度测试结果表明,这些样品对PVC具有相近的抑烟性能,说明LDHs晶粒尺寸对其抑烟性能无明显影响。为研究LDHs层板-OH、层间结合H20与阴离子C032-对抑烟性能的影响,本论文将LDHs焙烧产物LDO作为抑烟剂,发现在金属元素含量相同时,LDO抑烟效率优于LDHs,说明LDHs的抑烟作用与层板-OH、层间结合H20和阴离子C032-无关,这也说明LDHs的抑烟机理不同于其阻燃作用机理。本论文进一步对LDHs的抑烟机理进行了研究。通过TG-MS对释放的烟成分进行在线检测,发现添加LDHs后,PVC分解产生的气相产物中含氯化合物与苯的含量均大幅度减少;同时利用FT-IR、LRS与XPS等测试手段对经NBS烟密度箱测试后的PVC残炭结构展开研究,发现添加LDHs后,PVC残炭具有较低的石墨化程度与耐热稳定性。进一步分析表明,由于锌基层状结构抑烟剂可与PVC分解产生的HCl反应生成Lewis酸ZnCl2,能够使PVC分解向产生反式烯烃结构方向进行,有效抑制了顺式烯烃的生成及向烟气前体芳烃类物质的转化,降低了 PVC的生烟量。


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