硼酸锌改性可膨胀石墨的制备及其对聚乙烯与聚氨酯泡沫的阻燃性能研究

发布时间：2021-10-30 04:20

　　为了获得较高膨胀性能与阻燃性能的石墨插层化合物,本文制备了一种硼酸锌（ZB）改性可膨胀石墨(EG_Zn),并测试了其对于线性低密度聚乙烯（LLDPE）及硬聚氨酯泡沫（RPUF）的阻燃性能及机械性能的影响。首先,以H₂SO₄为主插层剂、ZB为辅助插层剂制备了EG_Zn。通过单因素实验方法确定了的C、KMnO₄、H₂SO₄（98%）与ZB的适宜质量比为1:0.25:4.5:0.3。同时,反应前H₂SO₄需稀释至75%,然后在50℃下反应40min。在上述反应条件下得到EG_Zn的膨胀体积可达520mL/g。通过扫描电子显微镜、X射线粉末衍射、傅里叶转换红外光谱分析证实了EG_Zn的存在。然后,将EG_Zn分别添加于LLDPE和RPUF中,通过极限氧指数（LOI）、垂直燃烧实验、热重分析、力学性能实验对比考察了单一硫酸插层可膨胀石墨EG

【文章来源】：河北大学河北省

【文章页数】：68 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

石墨的结构

河北大学硕士学位论文12实验前期，首先固定C与ZB的质量比为1:0.3，以C:KMnO4:H2SO4:ZB=1:X:Y:0.3作为质量配比关系，通过单因素实验可确定X与Y的值。实验具体实施过程中，以石墨3.0g为基准物，初始H2SO4的质量浓度为98%，密度为1.8361g/mL（即室温20℃下的98wt%浓硫酸的密度），采用单因素实验法，以EV作为优化指标，先后确定了配比关系式中的X与Y的适宜值。同时，通过单因素实验确定了的反应温度及反应时间。2.4.1.1KMnO4的适宜质量比值X的确定在GIC的制备工艺中，KMnO4作为氧化剂，其作用在于石墨经过氧化处理后，分子或原子或原子团能进入石墨层之间的空间，从而形成GIC。可选用的氧化剂很多，如KMnO4、KClO3、HNO3、H2O2等。使用KMnO4等不易得到均质反应物；而KClO3等会使得反应剧烈，危险系数较高；HNO3易挥发，容易形成酸雾，而且氮氧化物污染环境，不宜选用；使用H2O2形成的层间化合物不稳定，后续处理中容易分解。遂综上考虑，采用KMnO4作为氧化剂，H2SO4为插层剂，ZB为辅助插层剂，固定C:H2SO4(98%):ZB为1.0:4.5:0.3，反应前将质量浓度为98%的浓H2SO4稀释至80%，反应水浴温度设定为50℃，反应时间为40min，在0.05～0.40范围内改变X值，考察了KMnO4用量对EV的影响。结果如图2.1所示。图2.1KMnO4与石墨的质量比值X对EV的影响如图2.1所示，随着KMnO4用量的增多，EGZn的膨胀体积先增大，在达到一个峰值以后开始呈现出逐渐下降趋势，峰值处EV可高达500mL/g。不难理解，在峰值之前，随着KMnO4用量的增多，氧化作用逐渐增强，从而使得进入石墨层间的插层物逐渐增

第2章硼酸锌改性可膨胀石墨的制备与表征13多，插层充分，其EV便随之增大。在峰值之后，过量的KMnO4导致石墨在有酸参与反应背景下发生了过氧化。过氧化使石墨边缘破坏严重，导致膨胀时产生的气体易于从边缘逸出，所以其EV下降。至此，可确定得出在该实验中的KMnO4的实验质量比X为0.25kg/kg。2.4.1.2H2SO4的适宜质量比值Y的确定H2SO4在GIC的制备工艺中以氧化剂与插层剂的双重身份存在，主要表现在在以H2SO4和HSO4-的形式插入到被KMnO4氧化处理后的石墨层间，并与被氧化了的碳原子结合形成GIC或者石墨硫酸盐。在高温膨胀过程中，大部分H2SO4分子和HSO4-离子转化成H2O与SO2气体逸出，并迅速将石墨的层间结构吹胀开来，石墨体积迅速高倍膨胀。然而，如果H2SO4用量过高，富余的H2SO4会导致石墨的过氧化，进而破坏可膨胀石墨的层间结构，降低其EV。因此，为得到性能优异的EGzn，需要对H2SO4的添加量进行优化。值得一提的是，H2SO4的添加量包括两方面：一是H2SO4的质量比值Y（kg/kg），二是H2SO4的质量浓度。在2.4.1.1中，已确定KMnO4的适宜质量比值为0.25kg/kg；在此基础之上，分别通过单因素实验，确定H2SO4的适宜质量比值Y及其适宜质量浓度。为此，固定C:KMnO4:ZB的质量比为1:0.25:0.3，反应温度、反应时间以及H2SO4的质量浓度与2.4.1.1中相同，在3.0~6.0范围内改变Y值，实验得到如图2.2所示结果。图2.2硫酸的质量比值Y对EV的影响从图2.2不难看出，EGZn的EV随着H2SO4用量的增加表现出先增后减的变化，其


本文编号：3466037