镁基功能材料的构建及其在环氧树脂中的应用

发布时间：2020-06-25 02:17

【摘要】：我国盐湖镁资源以品位高、储量大著称于世,如何合理利用盐湖资源研究具有高附加值及工业应用前景的镁基功能材料,已成为制约盐湖资源产业化深度开发的“瓶颈”。随着科学技术和聚合物材料的飞速发展,聚合物材料已成为人们生活不可或缺的一部分。环氧树脂(EP)因其耐腐蚀性强、结构稳定等优点被广泛应用。但EP在燃烧过程中会产生大量的有毒有害气体及烟尘,又限制了其应用范围,对EP进行火安全处理是解决该问题的主要措施之一。本论文从无机填料的形貌及结构出发制备了一维氢氧化镁(MH)、碱式硼酸镁(MBH)和氢氧化镁-碱式硼酸镁(MH-MBH)纳米功能材料,并将其应用于环氧树脂中,研究了镁基纳米功能材料对环氧树脂复合材料的阻燃、火安全、光学性能及机械性能的影响,并探讨了可能的阻燃机理。取得的研究进展如下:(1)采用前驱体转化法合成一维MH,研究了不同因素对前驱体形貌的影响,并探讨了其生长机理,制备了分散性良好,形貌规则,长径比为35~50的一维氢氧化镁。将一维MH添加于EP中制备EP/MH复合材料,与纯EP相比,当一维氢氧化镁添加量为7 wt.%时,杨氏模量较纯环氧树脂增加了22.3%,拉伸强度与纯环氧树脂比较,基本保持不变。当MH添加量为5 wt.%时,EP/MH复合材料的LOI达到33.7%,较纯环氧树脂增加率为28.1%;当MH添加量为3 wt.%时,EP/MH复合材料的pHRR、pSPR、pCOP、pCO_2P分别为423 kW/m~2、0.17 m~2/s、0.009g/s、0.27 g/s,较纯环氧树脂分别降低了62%,47%、71%、63%。一维MH阻燃效果显著,有效的提高了EP的阻燃和火安全性能。阻燃机理研究表明,一维MH阻燃EP属于固相阻燃机理。(2)采用水热法制备MBH,研究了镁源种类、反应物浓度和水热温度等对MBH生长的影响,得到了分子式为2MgO·B_2O_3·1.5H_2O的一维MBH。将一维MBH添加至EP中,制备EP/MBH复合材料。由于MBH与EP基体有近似的折光率,添加量达到10 wt.%时,复合材料透光率仍可保持在70%以上;EP/MBH复合材料的硬度随着MBH的添加量逐渐增加,并且在一定载荷范围内,EP/MBH不会发生永久形变,MBH可明显提高EP的硬度及耐刮擦能力;当MBH的添加量为5 wt.%时,EP/MBH复合材料从可燃材料变成难燃材料,pHRR、pSPR、pCOP、pCO_2P较纯EP分别下降了38%、30%、50%和35%,FIGRA下降41%,EP中添加MBH可提高EP/MBH的火安全性,降低EP的火灾危害性。阻燃机理研究表明,MBH在燃烧过程中分解成硼酸镁隔离层,可有效阻止热量和可燃气体的蔓延和传递。(3)采用水热法,探索了合成一维MH-MBH纳米材料的影响因素,研究发现水热过程中MBH沿MH的轴向生长,MBH可均匀的包裹在MH的表面从而生成MH-MBH纳米材料。EP/MH-MBH复合材料的LOI研究结果表明,复合材料LOI最高为33.7%,较纯EP增加率为22%,阻燃性能优越;EP/MH-MBH复合材料的pHRR、pSPR、pCOP、pCO_2P最高分别降低了39.0%、42.4%、50.0%和47.3%,MH-MBH可明显提高环氧树脂的火安全性。阻燃机理研究揭示MH-MBH的阻燃过程为MH-MBH在燃烧过程中释放水分子,形成较坚固的炭层,起到固相阻燃的作用,所释放的水分子在气相中稀释可燃气体,降低了可燃物表面的温度,起到了阻燃和抑烟的作用。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院青海盐湖研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB34;TQ323.5
【图文】：

原理图,燃烧循环,原理,燃烧过程

第 1 章绪论。燃剂与氧化剂之间的一种快速氧化反应，通常伴有放热及气态和凝聚态产物[36]。燃烧过程中需要四要素：火源、可反应，如图 1.1[37]，燃烧过程要发生，四个要素缺一不可者中断燃烧过程中的任何一个环节来终止燃烧过程。尽管不同，阻燃作用机理主要有：（1）吸热作用；（2）覆盖作（4）不燃气体窒息作用，大多数阻燃剂是通过若干机理共8]。

不同溶剂,乙二醇,纯水,XRD衍射

第 2 章一维氢氧化镁的制备及其在环氧树脂中的应用如表 2.3 所示，所得样品 XRD 结果如图 2.1。从图中可以看出水-乙醇体系时，得到样品的衍射峰与单斜晶型碱式)5Cl·4H2O）的衍射卡片（JCPNo.007-0420）的标准衍射峰一致45，b=3.147，c=9.791，峰形尖锐，无氢氧化镁杂质峰出现，说，是具有较高结晶性的高纯碱式氯化镁。当选择有机溶剂作为式氯化镁的特征衍射峰的相对强度减弱，同时出现了氢氧化镁峰（JCPNo.083-0114），说明添加以上有机醇溶剂时，产物的是因为添加此类有机醇溶剂后，离子的聚集速度明显下降，氢不完全，以至于阻碍架桥反应的发生，导致经陈化后得到的中存在氢氧化镁的杂质峰。

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