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陶瓷化耐火硅橡胶材料的制备及其阻燃机理研究

郭晓东  
【摘要】:硅橡胶(SR)是一种环保型高分子材料,完全燃烧生成SiO_2和CO_2,无有毒物质产生,不会对环境造成污染,在医学、材料、涂料等方面应用广泛。特别是硅橡胶本身优异的热稳定性,配合成瓷填料、助熔剂等可实现硅橡胶复合材料的陶瓷化。作为一种新型的复合防火材料,陶瓷化硅橡胶在防火电缆领域具有广阔的市场前景。硅橡胶陶瓷化机制主要为高温燃烧时Si-O键会转变成连续、绝缘的网络状SiO_2,助熔剂融化形成流动性液体填充在成瓷填料与SiO_2之间,起到连接性“桥梁”的作用,冷却后形成陶瓷结构,进而有效保护金属基材。如何降低硅橡胶防火复合材料的陶瓷化温度,提高陶瓷化转化率和陶瓷化强度,是陶瓷化硅橡胶材料研究中亟待解决的重要问题。本文合成了热稳定性好、阻燃性能优良的聚磷腈微球(PZS)并以此为载体,成功将铂负载于聚磷腈微球的表面(Pt/PZS),并将其与成瓷填料共用,探索催化成炭剂的有效负载、陶瓷化耐火硅橡胶材料的阻燃耐火机制及催化机理,力求提高硅橡胶复合材料的耐火性能与陶瓷化性能。具体研究内容如下:首先采用六氯环三磷腈(HCCP)和4,4-二羟基二苯砜(BPS)为反应单体,合成了一种不熔不溶且具有高度交联结构的聚磷腈微球(PZS),并以PZS微球为载体成功将纳米金属铂粒子(Pt)负载在其表面。通过红外(FTIR)测试、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)以及热重分析(TG)探究了Pt粒子晶型结构以及阻燃剂的微观形貌和热稳定性能。分析结果表明:金属Pt粒子均匀负载在PZS表面,粒子大小约为6 nm。Pt/PZS微球热稳定性好,初始分解温度421.7℃,且残留率(800℃)可达56.0%,Pt/PZS微球成炭性能优良。进而将合成的Pt/PZS微球与成瓷填料共用,对硅橡胶进行耐火阻燃改性。通过热重分析探究了复合材料的热稳定性;锥形量热分析(CONE)研究了硅橡胶复合材料的燃烧性能;在400-1000℃温度区间内对硅橡胶复合材料进行了烧蚀性能测试;应用扫描电镜对烧蚀后的复合材料进行了微观形貌分析;X射线衍射分析表征了硅橡胶复合材料烧蚀过程中的晶型变化;并对硅橡胶电缆进行了真实火焰烧蚀测试。TG结果表明:加入0.01份(质量分数)Pt/PZS微球的耐火硅橡胶复合材料(Pt/F-SR)在800℃下的残留率可达54.8%,较普通硅橡胶复合材料(F-SR)的残留率49.6%提高10.5%,说明极微量Pt/PZS微球的加入可以提高复合材料的残留率。CONE数据显示:极微量Pt/PZS微球的加入可使热释放速率峰值(pHRR)降低23.4%,总烟释放量(TSP)下降9.9%,mEHC下降5.9%。不同烧蚀温度下的Pt/F-SR材料可以保持其完整形貌,且经400℃烧蚀后,具有一定的力学性能,与F-SR相比,Pt/PZS的加入能显著降低硅橡胶的陶瓷化温度,增强陶瓷化强度。在整个温度区间内,Pt/F-SR材料的弯曲强度从0.11 MPa增大到5.62 MPa,增大约50倍。通过微观形貌分析发现,相同温度下Pt/F-SR材料内部填料之间结合更加紧密,这可能是因为Pt/PZS微球的存在对硅橡胶复合材料陶瓷化具有促进作用。XRD分析也表明Pt/PZS的存在促进硅橡胶复合材料形成了新晶相:CaSi_2O_5和Quartz(硅石)。硅橡胶电缆火焰燃烧实验表明:加入微量Pt/PZS微球的硅橡胶电缆经过1 h的烧蚀,电缆形貌保持完整,表面裂纹较少,且电缆内部金属芯无氧化变黑现象出现。这说明耐火硅橡胶电缆具有良好的耐火性和隔热性。耐水性能测试表明:Pt/F-SR电缆在冷水中经过上下震动,所形成的陶瓷结构没有从金属芯上脱落且金属芯没有被水浸湿。综上,微量Pt/PZS阻燃剂对硅橡胶的陶瓷化性能和耐火性能以及耐水性能具有优良的促进作用。本论文对陶瓷化耐火硅橡胶阻燃体系的研究将为陶瓷化高分子复合材料的相关研发及工业化过程提供理论支持与研究思路。


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