二维超薄过渡金属化合物基环氧树脂的阻燃性能研究

发布时间：2020-05-27 02:04

【摘要】：环氧树脂(Epoxy resin,EP)作为一种重要的高分子材料,因其具有良好的物理机械性能、简单的生产工艺、低廉的价格而被广泛应用。尽管有这么多的优点,然而其易燃的特点极大地限制了它的应用。本文根据国内外研究现状对聚合物/二维超薄化合物纳米复合阻燃体系和过渡金属阻燃作用进行了综述,结合本课题组的研究工作,认为将二维超薄过渡金属化合物的纳米尺寸效应、过渡金属的催化成炭作用以及含磷化合物的阻燃作用相结合有望成为聚合物材料的新型阻燃技术。基于此,本文设计并合成了二维超薄过渡金属化合物磷酸钴镍(NiCoPO_3)、氢氧化钴(Co(OH)_2),并用不同的方法对其进行改性;为了进一步增强阻燃效果,本文采用简单的溶剂热法合成了含有Co和P元素的二维超薄过渡金属化合物焦磷酸钴钾(CPP),研究它们对EP热稳定性、阻燃性及抑烟性能的影响,并探讨其阻燃机制。本文首先以乙酸钴、乙酸镍及焦磷酸钠为原料通过水热法合成二维超薄过渡金属化合物磷酸钴镍(NiCoPO_3),并用氧化石墨烯(GO)对其表面进行改性,通过XRD、TGA和FTIR测试,确定了其化学结构,用于阻燃EP。结果表明,高温下GO-NiCoPO_3能促进成炭,提高复合材料热稳定性;复合材料LOI也得到提高,UL-94通过V-1级别,MCC测试结果表明8 wt%GO-NiCoPO_3的加入可以使复合材料THR降低41.9%,阻燃性能得到改善;这不仅归因于二维超薄化合物的片层阻隔作用,还由于过渡金属Co、Ni与P元素能够互相促进EP成炭,且GO含有大量C结构,在燃烧过程中丰富炭层含量,促使聚合物表面形成碳质炭结构炭层,增强炭层稳定性,从而隔热隔氧,抑制聚合物燃烧。为了进一步提高阻燃性能,本章以硝酸钴、氯化钠和六次甲基四胺为原料采用冷凝回流的方法设计合成二维超薄过渡金属化合物氢氧化钴(Co(OH)_2),使用含磷阻燃剂聚磷酸钠(Na_5P_3O_(10))对其表面进行改性,XRD、SEM、TEM及T GA测试结果表明合成出纯的Co(OH)_2和Na_5P_3O_(10)-Co(OH)_2,用于阻燃EP。结果表明聚合物在高温下的热稳定性得到提高,成炭量明显增加;复合材料UL-94通过V-1级别,LOI得到提高,阻燃性能得到改善;CCT结果表明抑烟效果较为显著,EP/8 Na_5P_3O_(10)-Co(OH)_2纳米复合材料在燃烧过程中的烟气释放量相比于纯EP降低了51.5%;这对于火灾中人员的逃生非常有利。一方面是由于二维超薄化合物的片层阻隔效应,隔绝外界与聚合物基底之间进行热量和氧气交换;另一方面是由于Co(OH)_2在受热分解时释放大量的水蒸气稀释空气中的可燃气体,同时生成具有催化抑烟作用的Co_3O_4,与含磷阻燃剂Na_5P_3O_(10)互相促进成炭覆盖在聚合物表面,抑制聚合物进一步分解,减少热量和烟气释放,延缓火灾发生。为进一步提高其阻燃性能,简化实验过程,本章通过简单的溶剂热法设计合成同时含有Co和P元素的二维超薄过渡金属化合物焦磷酸钴钾(CPP),通过XRD、TGA测试结果确定了其化学结构,SEM和TEM测试结果表明其具有典型的超薄层状形貌。采用原位聚合法将其分散于EP基体中,对纳米复合材料进行了一系列的测试。TGA结果表明,700 ~oC下EP/8 CPP纳米复合材料的残炭量高达30.5 wt%,说明CPP具有非常优异的凝聚相催化成炭效果;EP/10 CPP纳米复合材料的LOI值可显著提高到35.9%,相比于纯的EP提高了10.1%,并且6 wt%的添加量就可使得EP达到UL-94 V-1级别,CCT测试结果表明纳米复合材料的热释放速率(HRR)、总热释放量(THR)、生烟速率(SPR)及总烟气释放量(TSP)均显著降低。这可能是由于CPP受热分解释放出大量的水蒸气稀释空气中的可燃气体和氧气浓度,同时分解出PO·自由基,能够与空气中燃烧的H·和HO·自由基结合,中断链式燃烧反应;此外,CPP具有优异的催化炭化性能,能够促进聚合物成炭,且分解时产生Co的氧化物和P-C结构留在炭渣里,提高炭层含量,延缓氧气和热量的扩散,减少烟气释放,提高火灾安全性。这对于保护人的生命财产安全和减少环境污染都将会非常有意义。
【图文】：

来引发一系列的反应，是应用较多的一类聚合物高分子材料。根据其化学结构的不同可将其分为五类[5]：（1）缩水甘油胺类环氧树脂：热稳定性高，，交联性好。（2）缩水甘油醚类环氧树脂：最为典型的是双酚 A 型环氧树脂。（3）缩水甘油酯类环氧树脂：工艺性好、附着力强。（4）线型脂肪族类环氧树脂：此种树脂通过环氧基与脂肪链连接在一起。（5）脂环族类环氧树脂：此类树脂的合成主要是由于脂环族烯烃上的双键经过环氧化反应。1.2.3 环氧树脂的性质EP 种类繁多，性能各异，其中双酚 A 型环氧树脂在各个领域应用最多，主要是因为此类树脂合成时的原料来源广泛，价格低廉且可实用性强。图 1.1 所示为其结构：

合物纳米复合材料研究进促使纳米复合材料作为一种新型具备优异的电性能和催化性能。自 2004 年英国科学家 Novose获得石墨烯后，人们的研究兴趣便石墨烯具有更优异的机械和电性材料在各行各业的应用。由于二维生腐蚀性气体等优点，所以广泛材料，能有效提高聚合物的阻燃构物质有如图 1.2 所示的六方氮)等，此外层状氢氧化物、层状金作者的研究兴趣[59-70]。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ323.5

【参考文献】

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6 卢q

本文编号：2682771