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无卤阻燃聚丙烯复合材料的形态结构与性能的研究

陈晓浪  
【摘要】: 聚丙烯(PP)作为一种综合性能优良的通用聚合物材料,它已广泛应用于电子电气、家装、汽车和电线电缆等工业。然而,由于PP的极限氧指数较低,本身具有可燃性,属于易燃材料,极大地限制了PP材料的应用领域。聚合物材料阻燃的无卤、无毒和低烟化是环保要求的发展趋势。氢氧化镁[Mg(OH)_2,MH]在聚合物中起阻燃、消烟和填充等作用。Mg(OH)_2是无卤阻燃聚烯烃最有发展前途的阻燃剂之一。鉴于此,本文以PP为复合材料的基体树脂,对PP/Mg(OH)_2复合材料的界面改性原理、协同阻燃效应和增韧改性机理进行了系统和深入的研究。旨在研制出性能优良的阻燃PP复合材料,为实现无卤阻燃PP在工业上的应用提供基础数据和理论指导。本论文的主要研究结果如下: 1.采用FTIR、XRD、SEM、TGA等测试分析手段对超微细MH的结构、形貌和热性能进行了表征和分析,并对MH填充阻燃PP复合材料的结构与性能进行了研究。实验结果表明:未经处理的MH作为单一的阻燃剂在阻燃PP时,阻燃效率较低,要使PP复合材料的阻燃性能达到难燃塑料的标准,MH的填充量要在50%以上,这将给复合材料的力学性能造成严重的劣化。 2.复合材料中填料与基体的界面行为是影响其力学性能的主要因素之一。我们选用几种不同界面改性剂(包括钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂、硅油改性剂和硬脂酸盐)分别对MH高填充PP复合材料的界面进行改性。并对几种改性剂处理后的复合材料体系的力学性能、阻燃性能、结晶行为和热稳定性能及热氧降解动力学等进行了深入的研究,探讨了复合材料体系微观结构和材料性能之间的关系。结果表明,采用适量的表面改性剂不仅可以较大幅度地提高PP复合材料的力学性能,而且还可以改善复合体系的阻燃性能。DSC分析表明,未经改性的MH对PP基体有异相成核作用,而表面改性剂的加入削弱了无机填料对聚合物基体的异相成核作用。试样的微观结构照片表明,改性后的MH微粒在基体中均匀分散,两相界面模糊,基体与填料间的粘结力得到加强。热氧降解动力学测试表明阻燃填料的加入能大幅度提高复合材料的热降解活化能和分解温度及热氧稳定性。 3.选用两种不同粒径的可膨胀石墨(EG)作为协效阻燃剂。研究了EG协效MH阻燃PP复合材料的结构与性能,并对阻燃体系的热降解动力学进行了研究。发现少量EG代替MH阻燃PP后,复合材料的LOI显著提高,并通过UL-94 V-0级测试标准,并保持较好的力学性能。表明EG与MH在阻燃PP时表现出较好的协同效应,并且这种效应随着EG粒径的减小而得到加强。 4.本文对苯乙烯(St)协效马来酸酐(Mini)自由基熔融接枝聚烯烃弹性体(POE)进行了研究。通过考察St含量、St-MAH单体浓度和引发剂用量对接枝率的影响,制备了性能优良的POE-g-(MAH-St)接枝产物,并对接枝物的线性粘弹行为和热性能进行了研究。 5.在MH高填充PP阻燃复合材料中由于无卤阻燃剂的加入使得复合材料的力学性能严重劣化,从而导致复合材料的韧性大幅度降低。本文系统研究了POE增韧PP/MH阻燃复合材料的结构与性能的关系,对其增韧机理进行了深入探讨。实验结果表明,在PP/MH阻燃复合材料中加入POE后,复合材料在保持较好的阻燃性能的同时,复合材料的冲击韧性得到较大幅度提高。PP/POE/MH三元体系的增韧强烈依赖于POE的含量,当POE用量达一定值时,复合材料发生脆-韧转变,冲击强度得到大幅度提高。此外,复合材料的热稳定性能和结晶行为由于POE的加入也受到相应的影响。本文以POE-g-(MAH-St)作为PP/POE/MH三元复合体系的高分子界面改性剂,制备了力学性能、阻燃性能优异的阻燃PP复合材料。 6.本文对MH填充阻燃PP复合材料、无卤协效阻燃剂协效MH阻燃PP复合体系和PP/elastomer/MH三元复合材料的动态流变行为进行了系统研究,建立无卤阻燃剂及弹性体对PP基体阻燃复合材料体系的线性粘弹行为具体的影响关系。 7.利用CCT、FTIK、XPS等测试手段对MH阻燃PP复合材料、EG协效MH阻燃PP复合材料和接枝POE改性PP/POE/MH三元体系的燃烧行为和阻燃机理进行了测试分析。结果表明PP/MH/EG和接枝阻燃PP/POE/MH复合材料在燃烧时都可形成较好的炭层结构,可有效的阻止或延缓热量传递,隔绝燃烧基体与外界空气的接触,使聚合物基体的分解速率降低,可燃物的生成量减少。


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