石墨烯改性矿用材料的制备及其阻燃性能研究

发布时间：2020-11-17 17:24

　　 聚合物以耐腐蚀、质量轻、易加工、高力学性能等优良的综合性能逐步在煤炭工业中广泛应用。目前煤矿中使用的聚合物材料中有环氧树脂、聚氨酯、水性涂料等。但是这类聚合物制品在煤矿井下有瓦斯煤尘爆炸危险性环境中使用时,除保证有良好的使用性能外,尤其应具有可靠的安全性能。本文通过硅烷偶联剂与硼酸对氧化石墨烯(GO)进行功能化修饰,成功制备含硅硼网络结构的功能化氧化石墨烯(fGO)。随后将fGO应用于环氧树脂(EP)、硬质聚氨酯泡沫(RPUF)和水性环氧树脂涂料(WEP)中,对其阻燃性能和阻燃机理进行了研究。具体完成了以下四部分:1.采用硅烷偶联剂接枝法,以3-氨丙基三乙氧基硅烷和H_3BO_3为原料,对GO进行功能化改性,确定适宜条件制备获得fGO。并对其结构进行了表征分析,结果表明,fGO材料表面的接枝的B-O、Si-O-Si、C-O-Si新的官能团出现,片层间距从0.34 nm增大到0.83 nm,fGO的热稳定性及剩炭量明显提高,由此可看出H_3BO_3被成功接枝到了GO表面。2.选用聚磷酸铵(APP)作为EP的主要阻燃剂,分别将GO和fGO作为协效剂应用于阻燃EP。为保证高阻燃且材料力学性能优异,选用当0.1 wt%GO或fGO和14.9 wt%APP的配比。0.1 wt%fGO/14.9 wt%APP/EP的极限氧指数(LOI)达到了28.8%,且样品的热释放速率峰值(PHRR)、总热释放量(THR)比纯EP分别降低了42.96%、13.93%,CO体释放也减少了12.57%。通过扫描电镜分析(SEM)表明,fGO能促使EP分解产生连续、致密、平整、力学性能优异的膨胀炭层,这也是阻燃性能提高的关键。3.以可膨胀石墨(EG)和甲基膦酸二甲酯(DMMP)为主要阻燃剂,优选阻燃剂配比EG:DMMP=3:1和fGO协同阻燃RPUF复合材料。结果表明,7.5phr EG/2.5 phr DMMP与0.25 phr fGO复配时,RPUF-7样品的LOI值达到28.1%,样品的抗拉强度、断裂伸长率、压缩强度分别比RPUF-4提高了41.0%、50.6%、30.0%。热重分析(TG)和SEM分析表明,fGO显著提高RPUF阻燃复合材料的热稳定性和剩炭量,同时增强了炭层的连续性和致密性,有效地抑制了热量和可燃有机挥发物的释放,从而提高了RPUF的阻燃性。4.以三聚氰胺聚磷酸盐(MPP)、季戊四醇(PER)和三聚氰胺甲醛树脂(MF)组成膨胀阻燃剂(IFR)与fGO引入WEP涂料中。结果表明,但25.0 phr MPP、12.5 phr PER、12.5 phr MF与0.083 phr fGO复配时,WEP样品(WEP-4)的耐火时间比WEP-1增加60.4%,同时,样品的PHRR和THR值分别从229.7 kW·m~(-2)下降到128.1 kW·m~(-2)和从44.2 MJ/m~2下降到31.3 MJ/m~2。SEM电镜分析表明,fGO纳米材料能有效地增强炭层结构,其具有较好的形态、高度和结构,对基体内部材料具有很好的防护作用。
【学位单位】：华北科技学院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TD712.7
【文章目录】：
致谢
摘要
abstract
变量注释表
1 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 石墨烯在聚合物中的阻燃应用研究现状
    1.3 研究内容及研究路线
2 GO与 fGO的制备与表征
    2.1 引言
    2.2 实验部分
    2.3 结果与讨论
    2.4 小结
3 fGO与聚磷酸铵协同阻燃环氧树脂
    3.1 引言
    3.2 实验部分
    3.3 结果与讨论
    3.4 小结
4 fGO与 EG/DMMP协同阻燃硬质聚氨酯泡沫
    4.1 引言
    4.2 实验部分
    4.3 结果与讨论
    4.4 小结
5 fGO增强膨胀水性环氧防火涂料
    5.1 引言
    5.2 实验部分
    5.3 结果与讨论
    5.4 阻燃机理推测
    5.5 小结
6 结论
参考文献
作者简历
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本文编号：2887749