含有磺酸盐类阻燃剂的尼龙6复合材料制备及性能研究

发布时间：2017-10-18 10:23

  本文关键词：含有磺酸盐类阻燃剂的尼龙6复合材料制备及性能研究

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【摘要】：聚酰胺是应用最为广泛的工程塑料之一,由于自身具有优异的综合性能,因而在电器设备、汽车零件、化学化工等行业应用十分广泛。然而聚酰胺材料极易燃烧,燃烧后的熔滴带有火焰,造成火灾大规模蔓延,这大大限制了聚酰胺材料的使用范围。因此,许多研究者都在积极地探索阻燃改性聚酰胺的研究。其中,基于磺酸盐类的阻燃剂具有低烟、低毒、高效的优点,其在聚酰胺的阻燃改性中表现出很大的优势。本课题选用磺酸盐类阻燃剂对尼龙6进行阻燃改性,研究阻燃剂对材料的阻燃性能、热稳定性等方面的影响,研究内容主要分为以下三部分：一、氨基磺酸胍(GAS)对尼龙6阻燃性能的影响GAS能显著改善尼龙6的阻燃性能,当添加9% GAS时,复合材料的极限氧指数(LOI)达到31.9,垂直燃烧等级达到V0,通过热重-红外联用(TG-FTIR)分析表明,GAS阻燃尼龙6的作用机理主要是气相阻燃,GAS自身能在较低温度下分解,释放出大量的NH3、SO_2等不可燃气体,稀释氧气浓度,降低尼龙6的燃烧程度。同时,GAS还会促使尼龙6降解,生成一定的残炭,从而对基体起到保护作用。二、二硫化钼(MoS_2)/氨基磺酸胍(GAS)复配对尼龙6阻燃性能的影响在尼龙6中单独添加MoS_2,能明显降低材料的最大热释放速率,当添加15%的MoS_2时,体系的热释放速率峰值由纯尼龙6的978.9KW/m~2降低到707.9 KW/m~2。MoS_2是一种热稳定性较高的二维片层结构材料,在阻燃过程中主要以固相机理进行阻燃。在总添加量为15%,用5%的GAS替代MoS_2时,复合材料的LOI为31.4,燃烧等级提高到V0。分析表明,GAS能够在较低温度下发生分解,释放出NH3、SO_2不可燃气体,这些气体一方面可以稀释氧气浓度,另一方面,能够带走部分热量,抑制聚合物的燃烧,发挥气相阻燃机理的作用。MoS_2可以作为物理屏障阻隔热量的传递,在高于800℃时,发生氧化反应,生成三氧化钼(M003)和SO_2、MoO3是一种抑烟剂,两者都能作用于基体,提高材料抵抗燃烧的能力。三、氨基磺酸胍(GAS)接枝鳞片石墨及其在阻燃尼龙6中的应用选用天然石墨作为阻燃剂,将第一部分使用的阻燃剂GAS通过化学接枝引入石墨表层,得到GAS改性石墨(GO-GAS),对改性过程进行验证,并将其应用到尼龙6中。实验表明,GO-GAS不仅使尼龙6的阻燃性得到提高,而且增大了石墨与尼龙6的相容性。纯尼龙6的LOI只有22.0,3%的天然石墨可以将材料的LOI提高到24.1,而3%的GO-GAS使材料的LOI进一步提高到25.5。锥形量热(CONE)测试中,GO-GAS对尼龙6燃烧中热量释放的控制作用也明显高于未改性石墨,纯尼龙6的热释放速率峰值是978.9 KW/m~2,添加3%的天然石墨后,降低到460.4 KW/m~2,但是在添加3%的GO-GAS后,进一步下降为435.6 KW/m~2。结合TG-FTIR等分析表明,GO-GAS能同时在固相和气相中发挥作用,固相中,片层结构的石墨在燃烧时能形成残炭,覆盖在基体表面,有效地阻隔外部的热量和氧气；气相中,GAS自身分解可以产生NH3,进而促进尼龙6的降解,两者共同作用,产生NH3、H_2O和SO_2等惰性气体,发挥气相阻燃的机理。
【关键词】：尼龙6 氨基磺酸胍 阻燃性能 接枝改性 阻燃机理
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ323.6;TB332
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-17
• 第一章 绪论17-35
• 1.1 引言17
• 1.2 聚合物的燃烧理论17-20
• 1.3 聚合物的阻燃机理20-26
• 1.3.1 固相阻燃机理21
• 1.3.2 气相阻燃机理21-23
• 1.3.3 协效阻燃机理23-26
• 1.4 聚酰胺的结构及降解机理26-28
• 1.5 聚酰胺的阻燃改性方法28-29
• 1.6 聚酰胺塑料常用的阻燃剂及阻燃机理29-33
• 1.6.1 卤系阻燃剂29-30
• 1.6.2 磷系阻燃剂30-31
• 1.6.3 氮系阻燃剂31-32
• 1.6.4 其它无机阻燃剂32-33
• 1.7 本课题的研究目的和研究内容33-35
• 1.7.1 研究目的和意义33
• 1.7.2 主要研究内容33-35
• 第二章 实验部分35-43
• 2.1 实验原料35
• 2.2 实验仪器和设备35-36
• 2.3 实验制备36-40
• 2.3.1 尼龙6/氨基磺酸胍复合体系的制备36-37
• 2.3.2 尼龙6/二硫化钼/氨基磺酸胍复合体系的制备37-38
• 2.3.3 氨基磺酸胍接枝鳞片石墨的制备及尼龙6/石墨复合体系的制备38-40
• 2.4 性能测试与表征40-43
• 2.4.1 极限氧指数(LOI)40
• 2.4.2 水平垂直燃烧等级(UL-94)40
• 2.4.3 热失重分析(TGA)40
• 2.4.4 傅里叶红外分析(FTIR)40-41
• 2.4.5 热重-红外联用分析(TG-FTIR)41
• 2.4.6 锥形量热分析(CONE)41
• 2.4.7 扫描电子显微镜(SEM)41
• 2.4.8 示差扫描量热分析(DSC)41
• 2.4.9 X-射线光电子能谱分析(XPS)41
• 2.4.10 力学性能测试41-43
• 第三章 尼龙6/氨基磺酸胍复合材料阻燃性能的研究43-51
• 3.1 研究背景43
• 3.2 结果与讨论43-50
• 3.2.1 阻燃性能分析43-44
• 3.2.2 热失重分析44-45
• 3.2.3 残炭成分红外分析45-46
• 3.2.4 气体的热重-红外联用分析46-48
• 3.2.5 结晶行为的分析48-49
• 3.2.6 力学性能49-50
• 3.3 本章小结50-51
• 第四章 尼龙6/二硫化钼/氨基磺酸胍复合材料阻燃性能研究51-59
• 4.1 研究背景51
• 4.2 结果与讨论51-57
• 4.2.1 尼龙6/二硫化钼的阻燃性能分析51-52
• 4.2.2 尼龙6/二硫化钼的热稳定性分析52-53
• 4.2.3 尼龙6/二硫化钼的锥形量热分析53-55
• 4.2.4 尼龙6/二硫化钼/氨基磺酸胍的阻燃性能分析55
• 4.2.5 尼龙6/二硫化钼/氨基磺酸胍的热稳定性分析55-56
• 4.2.6 尼龙6/二硫化钼/氨基磺酸胍的锥形量热分析56-57
• 4.3 本章小结57-59
• 第五章 氨基磺酸胍接枝鳞片石墨及其在阻燃尼龙6中的应用59-71
• 5.1 研究背景59
• 5.2 结果与讨论59-68
• 5.2.1 氧化石墨的红外分析59-60
• 5.2.2 氧化石墨的热失重分析60-61
• 5.2.3 氨基磺酸胍接枝石墨的红外分析61
• 5.2.4 氨基磺酸胍接枝石墨的热失重分析61-62
• 5.2.5 氨基磺酸胍接枝石墨的X-射线光电子能谱分析62-63
• 5.2.6 相容性和分散性63-64
• 5.2.7 阻燃性能分析64-65
• 5.2.8 热失重分析65-66
• 5.2.9 锥形量热数据分析66-67
• 5.2.10 残炭的扫描电子显微镜分析67
• 5.2.11 力学性能分析67-68
• 5.3 本章小结68-71
• 第六章 结论71-73
• 6.1 结论71-72
• 6.2 创新点72
• 6.3 不足与展望72-73
• 参考文献73-77
• 致谢77-79
• 研究成果及发表的学术论文79-81
• 作者及导师简介81-83
• 附件83-85

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