P-N-Si-B复合阻燃剂的制备及其在空滤纸中的应用

发布时间：2020-07-05 05:06

【摘要】：空气滤清器产业的蓬勃发展,给空滤纸的性能提出了更高的要求。除了具有优异的净化空气的过滤性能、以及过滤纸页的力学性能和加工性能以外,对其阻燃性能也提出了更高的要求。因此空气滤纸所采用的增强树脂的结构设计和性能要求成为这类过滤材料的关键。目前空气滤纸使用苯丙乳液增强,存在抗水性不足、使用寿命尤其是在沿海湿热环境下的使用寿命短等不足,同时苯丙乳液增强的空滤纸多采用植物纤维抄造,无法解决日益重视的阻燃防火等安全问题。因此,本论文从原料聚磷酸铵(APP)出发,设计并制备一系列P、N、Si、B协同阻燃的阻燃剂,同时引入有机硅氧烷、聚醚等柔性结构,最后与苯丙乳液复配,制备综合性能优异的空气滤纸。首先,APP作为当代无卤的绿色阻燃剂,在日常生活的各个方面得到广泛的应用。但由于其具有一定吸水性,故在纤维或纸张的应用上,会导致纤维或纸张在添加APP后出现一定的吸潮吸湿现象。因此,对APP进行疏水改性,是现阶段一个重要的研究课题。通过溶胶凝胶法,在APP表面包覆纳米级的SiO_2,在此基础上,采用硅氢加成,在粒子表面进行原位反应,进行进一步的微胶囊包覆,引入具有不同聚醚侧链的有机硅氧烷结构。充分考察反应温度、反应时间、催化剂用量、不饱和键与硅氢键摩尔比、以及内外层包覆的质量比等因素,确认了最佳制备条件:温度为85℃,时间1.5hr,催化剂含量为30ug/g(以铂的量占反应物总质量计)。采用红外光谱(FT-IR)进行结构表征;采用表面接触角表征改性APP的亲水性能,结果显示通过双层包覆的改性APP的疏水性有了一定改善,接触角从原来的19.9°提高到41.2°;采用粒径分析表征改性APP的粒径大小及其分布规律;采用TGA分析发现,通过双层包覆的改性APP,其分解速率由原料APP的20%下降到7%左右,800℃的残炭率也由原料APP的21.73%提高到50%以上,充分说明改性APP的耐热性和阻燃性都获得提高。为了进一步改善粒子与乳液的相容性,以及提高材料的阻燃能力,在上述双层包覆粒子的基础上,进一步引入B元素。通过FT-IR分析确证其结构,通过粒径分析发现,当引入B元素以后,与相应未引入B元素的粒子相比,其粒径都变小,分布更均匀,同时与苯丙乳液的相容性获得极大改善;通过扫描电镜分析表面形貌,二次的包覆的改性APP在原料APP的表面形成一层平均厚度为4.01μm类似荷叶表面微观结构的微米-纳米尺寸的包覆层,使APP的表面形貌及粗糙度发生改变;采用TGA分析发现,引入B元素的改性APP,其分解速率由原料APP的20%下降到5.2%左右,最大质量损失由原料APP的60.71%降低到21.31%,800℃的残炭率也由原料APP的21.73%提高到50%以上,充分说明在引入B元素后改性APP的耐热性和阻燃性都得到进一步的提升。在上述研究的基础上,筛选出稳定性良好的五种改性APP体系与苯丙乳液复配,考察了自制改性APP与苯丙乳液的共混体系用于增强空气滤纸的性能,以及研究了空滤纸的抗水性能、阻燃性能和力学性能。采用红外光谱(FT-IR)对共混体系进行结构表征;采用粒径分析表征共混树脂体系的粒径大小及其分布规律;采用TGA分析发现,通过加入改性APP的苯丙乳液树脂,其分解速率由纯苯丙乳液的60%下降到27%左右,800℃的残炭率也由纯苯丙乳液的0.23%提高到30%以上,充分说明增强树脂的耐热性和阻燃性都获得提高。通过扫描电镜观察树脂燃烧前后的形貌分析其阻燃机理,确定为凝聚相阻燃和气相阻燃两种机理的协同作用;当经过复配树脂增强后,空气滤纸的耐破度、抗张强度、断裂伸长率、挺度以及断裂功均较原滤纸得到大幅提升,其中耐破度和断裂伸长率较纯苯丙乳液增强的空滤纸,从371kPa和4.89%最大能够提高到440kPa和8.89%,分别提高了18.6%和81.8%;通过锥形量热仪燃烧测试分析,与纯苯丙乳液增强滤纸比较,复配树脂增强滤纸的HRR、THR和TTI指标均得到改善,说明其阻燃性获得较大提高。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ314.248;TS761.2
【图文】：

硅醇,纳米SiO2粒子,缩合,乙醇

图 2-4 硅醇缩合生成纳米 SiO2粒子Fig. 2-4 Condensation of silanol to form nano-SiO2particles80g APP 溶于 240mL 乙醇，升温至 50℃，同时滴加 32g 正硅酸乙酯、320mL 乙醇溶液，以及 24mL 氨水、240mL 乙醇、160mL 去离子水混合溶液，并保温 2h。干燥脱除溶剂，得 83.2gAPP-SiO2白色粉末，记为改性 APP-1[64]。图 2-5 溶胶凝胶法制备改性 APP-1 过程Fig. 2-5 Preparation of modified APP-1 by sol-gel method

过程图,过程,工程硕士学位,乙醇

华南理工大学工程硕士学位论文图 2-4 硅醇缩合生成纳米 SiO2粒子Fig. 2-4 Condensation of silanol to form nano-SiO2particles80g APP 溶于 240mL 乙醇，升温至 50℃，同时滴加 32g 正硅酸乙酯、320mL 乙醇溶液，以及 24mL 氨水、240mL 乙醇、160mL 去离子水混合溶液，并保温 2h。干燥脱除溶剂，得 83.2gAPP-SiO2白色粉末，记为改性 APP-1[64]。

【参考文献】