连续纤维增强聚丙烯复合材料的制备及其阻燃性能研究

发布时间：2020-06-10 02:14

【摘要】：聚丙烯(PP),具有来源丰富、价格便宜、易于加工成型等特点,用途非常广泛,但存在一些缺陷,其中PP最大的缺点在于阻燃性能较差。目前,PP主要的阻燃方法是加入添加型的阻燃剂-膨胀型阻燃剂(IFR),使用较多的就是聚磷酸铵(APP)和季戊四醇(PER)。PER具有一定的吸潮性,在水中的溶解度较大,且与PP基体的相容性较差,为了解决这一问题,本文采用溶胶-凝胶法,制备微胶囊包覆改性的季戊四醇(CPER),并与APP一起复配成IFR对PP以及连续纤维增强PP进行阻燃改性,研究CPER对材料的阻燃性能、耐水性能、力学性能以及动态热力学性能的影响。首先通过设计的正交实验研究溶胶-凝胶反应的最佳实验条件,通过分析CPER粒径分布及其在水中的溶解度来分析微胶囊包覆情况,得到的溶胶-凝反应的最佳实验条件为:反应体系pH值为10,TEOS与KH540比值为12g:3g,反应温度为40℃,此时,季戊四醇的粒径由包覆前的200.93μm增长到220.70μm,溶解度仅为0.75g/100gH_2O、水接触角由24.3°增加到了91°;利用扫描电子显微镜对改性前后的PER进行形貌分析,改性前PER表面比较粗糙且棱角分明,改性后,PER表面存在很多的微粒聚集在一起;利用XPS分析改性前后PER表面元素变化,发现改性后,PER表面Si元素含量从0增加到7.96%,证明PER表面微胶囊的存在;将CPER进行DSC测试,发现CPER在260℃-340℃区间内,迅速分解,在340℃以后,质量变化不大,在700℃以后的残炭率仍在5%左右。将改性前后的PER与APP以一定的比例复配成IFR,用于阻燃PP,研究APP与PER的比例对材料的阻燃性能、力学性能、耐水性能等的影响。发现当APP与CPER的比例在3:1的时候,材料的阻燃性能最佳,LOI高达32,并通过了UL94V0等级,此配比下的PP/LOI值也达到了30.5。将阻燃PP材料用50℃热水处理48h后,再次进行燃烧实验,测得的PP/CPER材料的LOI值仍保持在31.3,仍然通过了UL94V0等级,PP/PER的LOI下降的比较严重,仅为24。热水处理后,材料的残碳形貌分析,发现PP/CPER燃烧后形成的炭层致密而又连续,而PP/PER复合材料由于PER的损失,成炭能力不足,以致于炭层存在较多的贯穿孔洞。力学性能测试发现,在加入阻燃剂后,材料的拉伸强度均发生了较大的下降,特别是PP/PER,下降幅度高达45.45%,而PP/CPER复材的拉伸强度降幅较小,幅度仅为21.7%。将APP与CPER按照3:1的比例复配成IFR,加入到连续纤维增强PP中,研究阻燃剂的添加量对PP复合材料的阻燃性能、耐水性能、力学性能以及动态力学行的影响。发现,由于存在“烛芯”效应,连续纤维增强PP的LOI值小于纯PP,当IFR的添加量在30%的时候,材料的阻燃性能最佳,同时对材料的力学性能的影响最小,此时PP复合材料的LOI值为30.5,拉伸强度为96.64MPa,而使用PER作为成炭剂的时候,PER与PP基体的相容性较差,LOI值仅为27,拉伸强度为93.4;对材料进行DMA测试,发现随着IFR添加量的增加,材料的储能模量E’逐渐下降,材料的刚性减小,力学性能能变差。
【图文】：

燃烧过程,聚合物,可燃性气体

PP 在 370℃左右，就会发生分解。PP 燃烧分解的速度非常快，燃烧会以下过程：受热后，PP 材料的温度逐渐升高，当温度到达一定值（PP 的着的时候，PP 分子链上的共价键会发生断裂，发生裂解，裂解产物一般是小的烯烃以及烷烃等可燃性气体，当这些小分子可燃性气体的浓度达到某一临的时候，在较高的温度下，这些可燃小分子气体就会开始燃烧，在燃烧过可燃性小分子还可以与空气中的氧气混合，使燃烧反应更剧烈。上述的燃烧中，PP 燃烧的反应机理可以描述如下：当温度达到一定值或者直接与明火后，PP 就会吸收大量的热量，在这个过程中，PP 会发生裂解，并产生具有活性的自由基：H·、O·以及 HO·，这些活性自由基能促使 PP 进一步分解，产生更多的可燃性气体小分子以及其他活性自由基，使得 PP 燃烧得更加剧PP 在燃烧过程中的自由基链反应过程[4-6]如下所示：链引发： RH R H 链增长： H O O HO 2R O ROO 2图 1.1 聚合物的燃烧过程

原理图,微胶囊,原理图,微胶囊技术

功能的微小物体（芯材）包覆成胶囊状微粒（微胶囊微粒）的技术。包覆后的芯材表面具有一层保护膜，可以避免受到外界不良条件的干扰或者影响芯材对外界环境的响应。这项技术的研究兴起于 20 世纪 30 年代，随着研究的不但深入，微胶囊技术日趋成熟，已经被广泛应用于医药、农药、催化剂、粘合剂等领域。近年来，微胶囊技术还被人们应用到聚合物阻燃领域并取得了较好的效果。一些阻燃剂经过微胶囊技术处理之后，自身的一些缺点得到了有效地改善，比如潮湿条件下容易吸湿、或者易溶解等。将经过微胶囊技术处理后的阻燃剂添加到聚合物基体中，在不改变阻燃剂的用量的条件下，其阻燃效果基本不受影响，同时，阻燃复合材料的耐水性能或者力机械学性能得到较大的提升。微胶囊包覆阻燃剂的制备方法根据所采用的包覆材料和包覆工艺可以分为物理法、化学法，当然也会有两种方法结合使用，即：化学法和物理结合法[50]物理法顾名思义就是利用机械手段将芯材置于包覆环境中处理获得囊层，，主要有空气悬浮法、喷雾干燥法以及真空蒸发沉积法；化学法就是通过将化学反应在芯材外层形成囊壳，主要包括原位聚合法、界面聚合法以及锐孔法等。微胶囊包覆的原理如图 2.1 所示：
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB332;TQ327

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