分子筛的改性对无卤阻燃聚丙烯复合材料燃烧性能的影响
本文关键词:分子筛的改性对无卤阻燃聚丙烯复合材料燃烧性能的影响
更多相关文章: 聚丙烯 分子筛改性 膨胀型阻燃剂 阻燃机理 协同效应
【摘要】:作为五大通用塑料之一,聚丙烯(PP)应用广泛,但同时易燃且生烟量大。PP的阻燃中经常使用成炭性优异且无毒的膨胀型阻燃剂(IFR),但是少量的IFR起不到较好的阻燃作用,而较多的IFR又会对材料的力学性能造成负面影响,所以通常会在IFR中添加阻燃协效剂以提高阻燃效率,降低阻燃剂添加量。常见的协效剂有蒙脱土、高岭土、分子筛等,其中分子筛的离子交换性能使其催化性能更具可控性,故本文采用多种方式方法对4A分子筛进行改性,探索不同的改性方法对分子筛协效阻燃以及PP复合材料综合性能的影响。本课题首先采用NH4+离子交换并煅烧,将Lewis酸引入到分子筛中得到4A-L分子筛,通过X射线衍射分析(XRD)和傅里叶红外光谱分析(FT-IR),发现离子交换对分子筛的结晶性及主要结构单元都没有影响,而煅烧后的分子筛结晶度降低,部分红外振动峰发生偏移或降低。本文提出了Lewis酸性点的形成过程和机理:引入到分子筛中的NH4+替换了分子筛晶格中的Na+,之后经过高温煅烧,NH4+脱除形成氨气,原NH4+所在的位置形成Lewis酸性点,但分子筛的骨架结构并没有完全破坏。将4A和4A-L分子筛分别加入到纯PP和PP/IFR体系中,采用氧指数(LOI)、垂直燃烧(UL-94)和锥形量热测试对PP复合材料的燃烧行为进行分析,结果表明4A-L与IFR之间存在良好的协效阻燃效果;通过对复合材料的热失重分析(TGA)、凝聚相产物的FT-IR分析、残炭扫描电镜(SEM)观测,发现4A-L主要通过促进聚合物基体交联成炭来提高其阻燃效果。这是因为4A-L中的lewis酸能与PP热解后生成的芳香族化合物发生取代反应,使得链段间发生交联,进而促进了聚合物成炭。PP/IFR/4A-L(78/20/2)的LOI达到33.7%,拉伸强度为26 Mpa。其次,本课题将稀土元素镧(La)和钬(Ho)引入到分子筛中,得到4A-La和4A-Ho分子筛,以增加L酸酸性点,提高催化成炭性能。X射线荧光光谱分析(XRF)表明La和钬Ho已成功地引入到分子筛中。XRD的分析结果表明单纯的离子交换并不会明显改变分子筛的骨架结构,但其晶面间距减小、结晶度降低。TGA的结果表明4A-La分子筛的吸附作用要好于4A-Ho分子筛,可以储存更多的结晶水。LOI、UL-94和锥形量热分析结果表明4A-La与IFR间存在协效阻燃作用且生烟量降低。加入2 wt.%4A-La后复合材料的LOI最高达到32.7%,UL-94也达到V1级别,与IFR的协效率达到1.81。最后,本课题将第四周期的5种金属元素Ca、Co、Ni、Cu、Zn引入到分子筛中并通过高温煅烧得到4A-Me,制备了含有不同分子筛的5种PP/IFR体系共混复合材料。通过LOI和UL-94测试,发现PP/IFR/4A-Cu的阻燃效果最好,锥形量热分析显示4A-Cu能在燃烧初期促进基体成炭,从而达到阻燃的目的。残炭的SEM和EDS表征表明4A-Cu可以使得更多的C和N留在残炭中,使得炭层更质密更稳定,隔绝基体和氧气,阻止燃烧进一步蔓延。
【关键词】:聚丙烯 分子筛改性 膨胀型阻燃剂 阻燃机理 协同效应
【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】:TQ325.14;TB332
【目录】:
- 摘要4-7
- ABSTRACT7-16
- 符号说明16-17
- 第一章 绪论17-29
- 1.1 引言17
- 1.2 聚丙烯的结构与性能特点17-19
- 1.2.1 聚丙烯的结构和分类17-18
- 1.2.2 聚丙烯的主要性能18-19
- 1.3 高分子材料的燃烧过程及主要阻燃机理19-20
- 1.3.1 高分子材料的燃烧过程19-20
- 1.3.2 高分子材料的阻燃机理20
- 1.4 聚丙烯中常用阻燃剂20-21
- 1.5 膨胀阻燃与协效剂21-24
- 1.5.1 膨胀阻燃机理21-22
- 1.5.2 膨胀阻燃的燃烧特性22
- 1.5.3 膨胀阻燃发展现状与不足22-23
- 1.5.4 协效剂23-24
- 1.6 分子筛的结构与性能特点24-26
- 1.6.1 分子筛的结构和分类24-25
- 1.6.2 分子筛的性能特点25-26
- 1.7 本课题的研究意义及研究内容26-29
- 1.7.1 本课题的研究意义27
- 1.7.2 本课题的主要研究内容27-29
- 第二章 实验部分29-35
- 2.1 实验原料29
- 2.2 实验所用主要仪器和设备29-30
- 2.3 实验制备30-31
- 2.3.1 改性分子筛的制备30
- 2.3.2 PP/IFR/分子筛复合材料的制备30-31
- 2.4 性能测试和表征31-35
- 2.4.1 傅里叶红外分析(FT-IR)31-32
- 2.4.2 X射线衍射分析(XRD)32
- 2.4.3 极限氧指数(LOI)32
- 2.4.4 垂直燃烧实验(UL-94)32-33
- 2.4.5 锥形量热分析(Cone)33
- 2.4.6 热失重分析(TGA)33
- 2.4.7 扫描电子显微镜(SEM)33
- 2.4.8 力学性能测试33
- 2.4.9 示差扫描量热分析(DSC)33-34
- 2.4.10 X射线荧光光谱分析(XRF)34-35
- 第三章 酸性对分子筛协效阻燃膨胀型聚丙烯的影响35-53
- 3.1 引言35
- 3.2 结果与讨论35-51
- 3.2.1 分子筛结构与性能的表征35-38
- 3.2.2 PP复合材料的燃烧行为分析38-41
- 3.2.3 PP复合材料的热稳定性研究41-44
- 3.2.4 材料残炭结构及组成分析44-46
- 3.2.5 阻燃机理46-47
- 3.2.6 PP复合材料的力学性能47-49
- 3.2.7 PP复合材料的结晶行为49-51
- 3.3 本章小结51-53
- 第四章 稀土元素对分子筛协效阻燃膨胀型聚丙烯的影响53-63
- 4.1 引言53
- 4.2 含稀土元素的分子筛的表征53-55
- 4.2.1 分子筛内组成分析53
- 4.2.2 分子筛的结构分析53-54
- 4.2.3 分子筛的热稳定性分析54-55
- 4.3 PP复合材料的燃烧行为分析55-59
- 4.3.1 PP复合材料的LOI和UL-94分析55-57
- 4.3.2 PP复合材料的锥形量热分析57-59
- 4.4 PP复合材料的热稳定性59-61
- 4.4.1 复合材料的TGA分析59-60
- 4.4.2 不同温度下煅烧的红外分析60-61
- 4.5 PP复合材料的残炭形貌61-62
- 4.6 4A-La的协效阻燃机理62
- 4.7 本章小结62-63
- 第五章 金属离子对分子筛协效阻燃膨胀型聚丙烯的影响63-71
- 5.1 引言63
- 5.2 不同金属离子对分子筛组成的影响63-64
- 5.3 PP复合材料的燃烧行为分析64-67
- 5.3.1 PP复合材料的LOI和UL-94分析64-65
- 5.3.2 PP复合材料的锥形量热分析65-67
- 5.4 PP复合材料的热稳定性分析67-68
- 5.5 PP/IFR/4A-Ca与PP/IFR/4A-Cu残炭分析68-69
- 5.6 4A-Cu的协效阻燃机理分析69
- 5.7 本章小结69-71
- 第六章 结论71-73
- 6.1 本课题的主要结论71-72
- 6.2 研究的创新点72
- 6.3 研究的不足之处与展望72-73
- 参考文献73-79
- 致谢79-81
- 研究成果及发表的学术论文81-83
- 作者及导师简介83-84
- 附件84-85
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 洪新;唐克;;Cr~(3+)改性NaY分子筛的吸附脱氮性能[J];燃料化学学报;2016年02期
2 黄建珍;许可;;活性炭和分子筛吸附脱硫醇的研究进展[J];化工技术与开发;2015年12期
3 张畅;秦玉才;高雄厚;张海涛;莫周胜;初春雨;张晓彤;宋丽娟;;Ce改性对Y型分子筛酸性及其催化转化性能的调变机制[J];物理化学学报;2015年02期
4 王旺银;潘明雪;秦玉才;王凌涛;宋丽娟;;Cu(I)Y分子筛表面酸性对其吸附脱硫性能的影响[J];物理化学学报;2011年05期
5 高虎亮;胡珊;韩宏昌;;4A分子筛对MPP阻燃PA6性能的影响[J];化工新型材料;2011年01期
6 李贵勋;田子娟;代佳丽;程龄贺;王经武;;无卤阻燃聚丙烯研究进展[J];高分子通报;2009年12期
7 冯才敏;;4A分子筛对PP/MPP/PEPA膨胀阻燃体系的协同作用[J];材料科学与工程学报;2009年04期
8 陈小随;吴绍利;姚红;张胜;;无机纳米材料阻燃聚丙烯复合材料的研究进展[J];中国塑料;2008年09期
9 吕明福;刘涛;张师军;;聚丙烯的热降解和燃烧行为[J];合成树脂及塑料;2007年06期
10 张芳,杜春毅,张炎;PP/POE/Nano-CaCO_3复合材料的动态力学热分析[J];塑料工业;2005年01期
,本文编号:861419
本文链接:https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/861419.html