低烟低毒阻燃三元乙丙橡胶橡塑复合材料的设计和性能研究

发布时间：2020-07-05 16:14

【摘要】：EPDM橡塑复合材料具有优异的机械性能、加工性能和综合物性(包括耐热、耐光、耐臭氧、耐化学腐蚀等特性),而被广泛应用在公共建设、交通设施、电学和包装材料之中。但EPDM橡塑复合材料氧指数在20%左右,属于易燃材料,且燃烧时易滴落,具有巨大的火灾隐患;同时,EPDM及其橡塑复合材料在燃烧过程中会释放大量的烟和毒性气体。因此,研究低烟低毒阻燃EPDM橡塑复合材料具有重要的现实价值。本论文中,设计并合成了含锌类的抑烟硫化剂、不同结构的含磷硅烷偶联剂、片层结构的SnS2阻燃协效剂、具有阻燃催化特性的核壳结构阻燃剂,用于无卤阻燃EPDM橡塑复合材料,研究了其在橡塑复合材料中的阻燃减毒作用效果和作用机制。主要研究工作如下:1.合成了羟基锡酸锌(ZHS)和六方硼酸锌(ZB),将其添加入不同硫化体系的EPDM/EVA橡塑复合材料中,用以替代氧化锌作为硫化活性剂。本章中,通过研究各类硫化体系对橡胶硫化特性、力学性能和阻燃性能的影响,确定合适的硫化体系,并研究了含锌抑烟单元在不同硫化方式中的作用效果。UL-94和LOI测试表明,ZB和氢氧化镁协效阻燃体系,能够使EPDM/EVA通过UL-94 V-0级别,且氧指数高达33.5%。锥形量热测试表明含硫硫化体系有较低的PHRR,同时ZB的加入能够有效降低PHRR,增加材料的安全性。通过TG-IR对材料的热解过程进行分析,发现在裂解过程中,碳氢化合物等可燃成分有效降低,这意味着较低的火灾风险。SSTF烟气毒性测试表明ZHS和ZB的引入均能使CO的释放显著降低。结论表明,含锌抑烟单元能够很好的替代氧化锌充当活化剂,从而在提升其阻燃性能的同时,保证硫化的正常进行。2.通过离子驱动组装方式制备了具有催化阻燃特性的介孔羟基锡酸铁包覆的氢氧化镁阻燃剂(MDH@mFeOHS),应用于EPDM/EVA橡塑复合材料中,并研究核壳结构阻燃剂对橡塑材料的燃烧性能的影响。燃烧测试表明,MDH@mFeOHS能大幅提高材料的阻燃性能,发现其40%wt添加量时,EPDM/EVA橡塑复合材料能够达到UL-94 V-0级别,且LOI高达32.0%;其PHRR相较于氢氧化镁阻燃体系可以降低40%以上;SSTF测试表明MDH@mFeOHS添加的EPDM/EVA材料,其烟气危害成分得到有效的降低;这是由于将硫化橡胶的交联点引入核壳结构阻燃剂表面,改善阻燃剂的分散从而提高阻燃性能。。3.设计并合成两种不同结构的含磷硅烷偶联剂DOPO-VTS和PEPA-IPTS,用以改善AHP在橡塑材料中的分散性;合成MnHS,与AHP/PEPA-IPTS协效阻燃EPDM/EVA橡塑材料。测试结果表明:两种含磷硅烷均能有效提升AHP与橡塑材料的界面相容性和力学性能。PEPA-IPTS还能提升AHP的阻燃效率,当90份AHP和10份PEPA-IPTS添加到150份(EPDM/EVA=2/1)橡塑材料中时,复合材料可以达到UL-94 V-0级别,LOI值达到31.5%。此外,添加5份MnHS取代阻燃剂后,EE/AHP/PEPA-IPTS的PHRR降低约20.0%。4.通过水热法合成了片层SnS2材料,并与APP和PER复配阻燃EPDM/PP橡塑复合材料。DSC测试结果表明,SnS2的引入能够有效降低EPDM/PP橡塑复合材料的玻璃化转变温度;在100份EPDM/PP橡塑复合材料中,添加4份SnS2、39份APP和13份PER时,垂直燃烧通过了V-0级别且LOI值也高达29.5%;微型量热仪(MCC)和锥形量热测试(CCT)则表明,添加SnS2后材料的热释放明显降低;且燃烧释放的碳氢化合物等可燃性气体成分显著降低;SnS2的加入,显著提高了EPDM/PP橡塑复合材料的火灾安全性。5.使用离子驱动的方法合成了锌和锡掺杂的聚磷酸铵(ZSAPP),通过SEM表征了其结构,证明了掺杂结构的形成。ZSIFR(ZSAPP:PER=3:1)能够有效提升EPDM/PP的阻燃性能,并通过V-O级别,相比于EPDM/PP/IFR(APP:PER=3:1),其LOI值增加了约2.5%。锥形量热仪测试表明EPDM/PP/ZSIFR的PHRR相较于EPDM/PP/IFR降低了约25%,且有较低的烟释放。SSTF测试结果表明,ZSIFR有效降低了EPDMM/PP燃烧产生的CO等毒性气体。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ333.4;TB33
【图文】：

分解时会产生磷酸及其衍生物，能够促进脱水成碳，同时，其分解过程中产生的逡逑水和氨气能够使可燃气体得到稀释，从而达到阻燃的目的。逡逑ＡＰＰ邋—般是在膨胀性阻燃体系（ＩＦＲ）当中充当酸源和气源，其在环氧树脂、逡逑聚酯型ＴＰＵ弹性体和尼龙等聚合物中单独使用可以有很好的阻燃效率，因为这逡逑些聚合物自身含有成碳结构，可以充当碳源，与ＡＰＰ组成膨胀性阻燃体系，生逡逑成致密的碳层结构。而很多不含成碳结构的聚合物，则需要添加季戊四醇（ＰＥＲ）、逡逑ＴＰＵ和尼龙等具有成碳作用的成炭剂或聚合物，才能够有很好的阻燃效果。ＡＰＰ逡逑虽然有较高的阻燃效率，但其仍然具有很大的改进空间。主要改进方向包括进一逡逑步提升其阻燃效率，增加其与聚合物材料的相容性和阻燃过程中释放的氨气等有逡逑毒气体的消除。目前提升ＡＰＰ阻燃效率的方法主要包括对ＡＰＰ微胶囊化、合成逡逑新型成炭剂、表面改性和添加协效剂。Ｗａｎｇ［４７］等通过纤维素对ＡＰＰ进行微胶逡逑囊化，形成了含有碳源结构的ＡＰＰ胶囊结构，ＡＰＰ的耐水性得到了很大的提高，逡逑和水的接触角由１１．５。提升到１０９．６。，同时新形成的微胶囊化ＭＣＡＰＰ对ＥＶＡ的逡逑阻燃效率相对于未包覆的ＡＰＰ体系提升明显。逡逑

和水的接触角由１１．５。提升到１０９．６。，同时新形成的微胶囊化ＭＣＡＰＰ对ＥＶＡ的逡逑阻燃效率相对于未包覆的ＡＰＰ体系提升明显。逡逑图１．３纤维素材料微胶囊化ＡＰＰ的制备过程逡逑７逡逑

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本文编号：2742833