反应性膨胀型阻燃剂的制备及阻燃HDPE的研究

论文摘要

高密度聚乙烯（HDPE）是一种大品种通用塑料,由于其良好的综合性能,被广泛用于生产生活的很多方面。但是由于其氧指数低,易燃,燃烧速度快且产生大量的熔滴,从而带来较大的火灾隐患,因此,对HDPE阻燃的研究显得格外重要。随着目前阻燃领域绿色环保的呼声日益高涨,传统的卤系阻燃剂被许多国家禁止使用,开发环保的无卤阻燃高密度聚乙烯具有重要意义。膨胀型阻燃剂（IFR）具有无毒,无熔滴,发烟少等优点而受到广泛关注,近年来膨胀型阻燃剂在阻燃领域的应用取得了明显的效果,特别是用于聚烯烃阻燃。但是其也存在与基体相容性差,易吸湿,往往导致聚烯烃基复合材料力学性能明显下降等问题。针对膨胀型阻燃体系存在问题,本工作先从分子设计出发,设计一种集炭源,酸源和气源于一体的大分子阻燃剂为基体,使其带上可以和HDPE反应的双键官能团,使阻燃剂能键接在HDPE大分子上,从而改善阻燃剂分子和HDPE的相容性；为了进一步增强rIFR和HDPE的界面结合,再采用硅氧烷偶联剂对rIFR进行表面改性。将rIFR与HDPE进行热机械反应性共混,在熔融挤出的过程中使rIFR和HDPE发生化学反应,形成结合力强的适度柔性界面,制备出具有良好阻燃效果且力学性能较良的HDPE基复合材料。对rIFR的合成工艺、化学结构、热稳定性和HDPE/rIFR复合材料的化学结构、形态结构、阻燃性能、力学性能、熔体流动性、阻燃机理等进行了研究。得到以下主要结果和结论：（1）磷酸和季戊四醇按照摩尔比为2.5：1,得到中间体PEDP; PEDP与三聚氰氨（MA）、丙烯酰胺改性三聚氰胺-脲醛树脂（MUF-AM）的摩尔比为1/1/1时,制备得到的反应性膨胀型阻燃剂rIFR的收率达到56.5%,残炭率为47.52%。（2） rIFR起始分解温度为220℃,其分解温度区间也覆盖了HDPE热分解温度范围,与HDPE的加工及热降解温度相匹配。（3） rIFR和HDPE基体形成了化学键连接,改善了两相的相容性。（4）随着rIFR含量的增加,HDPE/rIFR复合材料的极限氧指数LOI逐渐提高,水平燃烧速度逐渐降低,当rIFR由Owt%增加到30wt%,LOI由18.5%提高到24.5%,水平燃烧速率由33.6mm/min降低到21mm/min;对rIFR进行表面处理使复合材料的阻燃性能稍有降低,而偶联剂用量对阻燃性能影响不大。（5）随着rIFR含量的增加,HDPE/rIFR复合材料的拉伸屈服应力（TYS）基本不变,弯曲弹性模量（FM）逐渐提高,悬臂梁缺口冲击强度（NIIS）逐渐降低,当rIFR含量为30wt%时,复合材料FM提高到纯HDPE的1.40倍,TYS和NIIS分别为原料HDPE的104%,71%；采用硅氧烷偶联剂对rIFR进行表面改性后,复合材料的NIIS随着偶联剂用量的增加先增加然后基本保持不变,而TYS和FM变化不大,当偶联剂用量为rIFR的2.5wt%时,复合材料NIIS、TYS和FM分别为原料HDPE的95%,104%和140%。（6） HDPE/rIFR在燃烧时能形成膨胀型炭层,但是由于炭层不够致密牢固,导致火焰能透过炭层,引燃内层基体,使材料持续燃烧,因而阻燃性能有限。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 无卤阻燃的研究现状和本工作的研究思路
• 1.1 无卤阻燃剂的研究现状
• 1.1.1 塑料的燃烧与阻燃机理
• 1.1.2 无卤阻燃剂分类
• 1.1.3 膨胀型阻燃剂
• 1.1.4 反应型阻燃剂
• 1.1.5 无卤阻燃HDPE的研究现状
• 1.2 课题的提出和尚待解决的问题
• 1.3 本工作的研究思路和内容
• 第二章 反应性膨胀型阻燃剂的制备和表征
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 主要仪器和设备
• 2.1.3 膨胀型阻燃剂的合成
• 2.1.4 性能表征
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 合成条件优化
• 2.2.2 粒径分布
• 2.2.3 吸湿率
• 2.2.4 rIFR的结构与组成
• 2.2.5 热降解行为
• 2.3 小结
• 第三章 HDPE/rIFR复合材料的制备与表征
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 主要原料
• 3.1.2 主要仪器设备
• 3.1.3 HDPE/rIFR复合材料的制备
• 3.1.4 性能测试及表征
• 3.2 结果和讨论
• 3.2.1 阻燃性能
• 3.2.2 阻燃机理
• 3.2.3 热降解行为
• 3.2.4 复合材料的化学结构
• 3.2.5 复合材料的断面形态
• 3.2.6 力学性能
• 3.2.7 复合材料熔体流动速率
• 3.3 小结
• 第四章 结论与展望
• 4.1 结论
• 4.2 展望
• 参考文献
• 致谢