木塑复合材料界面改性及阻燃机理的研究

发布时间：2017-07-16 19:25

  本文关键词：木塑复合材料界面改性及阻燃机理的研究

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【摘要】：近年来,木塑复合材料(WPC)因其优异的性能吸引了大量研究人员的广泛关注,木塑界面相容性差及阻燃性能低限制了其应用。经常应用的界面相容剂主要为硅烷偶联剂,马来酸酐接枝聚合物,两者对界面改善效果有限,且对WPC的阻燃性能产生不利影响；含卤阻燃剂添加量低阻燃效率高,但是燃烧过程中产生大量有毒气体,易造成二次灾害；膨胀阻燃体系具有降低发烟量、绿色环保,但通常添加量较大,会降低WPC的力学性能。本论文针对高密度聚乙烯基木塑复合材料的力学及阻燃性能综合改善展开工作。内容主要包含以下三个部分：首先探讨乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)和两种丙烯酸酯含量不同的乙烯-丙烯酸乙烯酯(EAA-3340, EAA-5990)三种极性共聚物对WPC的界面改进效果。结果表明相同添加量的EAA-5990效果最好,其次是EAA-3340,EVA对WPC的相容性改善效果不明显。与未改性的WPC相比,EAA-5990添加量为7%时拉伸强度为30.7MPa,提高了111.7%,断裂伸长率提高100%；弯曲强度为53.5MPa,提高了85.8%。EAA-5590和EAA-3340显著降低了WPC的吸水率和厚度膨胀率,而EVA却提高了材料的吸水率和厚度膨胀率。FTIR分析表明EAA中的羧基与WF中的羟基形成氢键,这种作用力显著提高了之间的结合力。SEM分析表明加入EAA后,WF/HDPE界面周围无孔洞和缝隙。EVA加入后WF周围依然存在大量孔洞和缝隙。其次以聚磷酸铵(APP)为阻燃剂,WF为阻燃协同剂。添加22%APP/40%WF时,氧指数(LOI)提高到30.5,垂直燃烧(UL-94)可达到V-0等级。锥形量热(CONE)结果表明22%APP/40%WF共存显著降低了材料的热释放速率(HRR),热释放总量(THR),并且降低了材料的质量损失率。热失重分析(TG)和红外光谱分析(FTIR)表明APP与WF存在协同阻燃作用,APP促进了WF降解成炭,提高了残炭含量。最后通过阳离子交换法制备了APP和纳米二氧化硅杂化新型阻燃剂(APP-K-nano SiO2)。22%APP-K-nano SiO2加入后,LOI提高到32.1,UL-94的燃烧时间显著减小。与APP相比,APP-K-nano SiO2更能够有效降低材料的HRR,PHRR,THR,SPR及TSP。TG结果表明APP-K-nanoSiO2的加入改变了材料的热降解过程,提高了热稳定性,增加了残炭含量。高温煅烧FTIR分析可知APP-K-nano SiO2中的APP降解促进WF形成炭层,APP降解产物与nano SiO2相互作用形成Si-O-P-N一体化交联网络结构,这种结构提高了炭层的致密性和强度,而致密的炭层能够隔绝氧气和热量,提高WPC的热稳定性。同时EDS分析证明了Si元素对阻燃性能的提高是有利的。
【关键词】：木塑复合材料 界面改性 阻燃机理 共聚物 聚磷酸铵
【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】：TB332
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第一章 绪论15-25
• 1.1 引言15
• 1.2 木塑复合材料简介15-17
• 1.2.1 木塑复合材料的性能与应用15-16
• 1.2.2 木粉结构特点及性能16-17
• 1.3 聚合物燃烧过程及阻燃机理17-18
• 1.3.1 聚合物的燃烧过程17
• 1.3.2 阻燃机理介绍17-18
• 1.4 化学法木塑复合材料界面相容性研究18-22
• 1.4.1 碱处理改性18-19
• 1.4.2 偶联剂改性19-20
• 1.4.3 添加接枝共聚物20-21
• 1.4.4 添加共聚物21-22
• 1.4.5 木塑复合材料界面改性展望22
• 1.5 木塑复合材料无卤阻燃研究进展22-23
• 1.6 本课题的研究意义、研究内容及创新点23-25
• 1.6.1 本题的研究意义23-24
• 1.6.2 本课题的主要研究内容24
• 1.6.3 本课题的创新点24-25
• 第二章 实验部分25-29
• 2.1 实验用料25
• 2.2 实验设备和测试仪器25-26
• 2.3 性能测试和表征26-29
• 2.3.1 拉伸强度测试26
• 2.3.2 弯曲性能测试26
• 2.3.3 冲击性能测试26
• 2.3.4 吸水率和吸收膨胀率测试26-27
• 2.3.5 扫描电子显微镜分析27
• 2.3.6 红外光谱(FTIR)分析27
• 2.3.7 转矩流变分析27
• 2.3.8 动态热机械分析27
• 2.3.9 极限氧指数(LOI)测试27-28
• 2.3.10 垂直燃烧(UL-94)试28
• 2.3.11 锥形量热测试28
• 2.3.12 热失重分析(TGA)28-29
• 第三章 共聚物对木塑复合材料界面相容性影响29-45
• 3.1 引言29
• 3.2 实验样品制备29-30
• 3.3 结果与讨论30-43
• 3.3.1. 拉伸强度与断裂伸长率31-32
• 3.3.2 弯曲强度与模量32-34
• 3.3.3 冲击强度34-35
• 3.3.4 动态热机械分析35-37
• 3.3.5 共聚物对木塑复合材料尺寸稳定性影响37-38
• 3.3.6 转矩流变性能测试38-39
• 3.3.7 红外分析39-42
• 3.3.8 改性前后木塑复合材料界面微观形貌观察42-43
• 3.4 本章小结43-45
• 第四章 聚磷酸铵和木粉对木塑复合材料协同阻燃研究45-55
• 4.1 引言45
• 4.2 实验样品制备45-46
• 4.3 结果与讨论46-53
• 4.3.1 氧指数、垂直燃烧及其协效阻燃分析46-47
• 4.3.2 锥形量热分析47-50
• 4.3.3 热失重分析50-51
• 4.3.4 煅烧样品的红外分析51-52
• 4.3.5 力学性能分析52-53
• 4.4 本章小结53-55
• 第五章 聚磷酸铵和纳米二氯化硅杂化对木塑复合材料阻燃性能研究55-69
• 5.1 引言55
• 5.2 实验样品制备55-57
• 5.2.1 杂化阻燃剂的制备55-56
• 5.2.2 阻燃木塑复合材料样品制备56-57
• 5.3 结果与讨论57-67
• 5.3.1 APP-K-nano SiO_2结构红外分析57-59
• 5.3.2 APP,APP-K-nano SiO_2的EDS元素组成分析59-60
• 5.3.3 热失重分析60
• 5.3.4 APP-K-nano SiO_2对WPC的LOI,UL-94性能影响60-61
• 5.3.5 锥形量热仪分析61-63
• 5.3.6 APP-K-nano SiO_2对WPC热失重行为影响63-64
• 5.3.7 马弗炉特征温度煅烧残炭红外分析64-65
• 5.3.8 锥形量热残炭元素能谱分析65-66
• 5.3.9 锥形量热残炭外观形貌及SEM微观分析66-67
• 5.4 本章小结67-69
• 第六章 结论69-71
• 参考文献71-77
• 致谢77-79
• 研究成果79-81
• 作者及导师简介81-83
• 附件83-84

【参考文献】

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本文编号：550209