纳米接枝含磷阻燃剂改性聚乳酸的研究

发布时间：2017-10-29 19:05

  本文关键词：纳米接枝含磷阻燃剂改性聚乳酸的研究

  更多相关文章： 聚乳酸 碳纳米管改性 形貌 性能 阻燃 Halpin-Tsai模型

【摘要】：聚乳酸(PLA)是近年快速发展的生物可降解高分子材料,具有广阔的前景。但其热稳定性和阻燃性能较差,在航空航天、电子电器、汽车等领域的广泛应用受到限制,提高PLA的热稳定和阻燃性具有重要意义。近些年来,纳米技术在材料中的被广泛的应用,作为纳米一族中的多壁碳纳米管(MWCNTs)因其优异的力学性能、电学性能和热学性能,受到材料领域的关注,是一种理想的聚合物改性剂。本文首先将MWCNTs经浓硫酸和浓硝酸混合强酸氧化浸泡处理得酸化MWCNTs(f-MWCNTs); f-MWCNTs与氯化亚砜(SOCl2)反应得酰氯化MWCNTs(COCl-MWCNTs); COCl-MWCNTs与9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)的衍生物进行接枝反应得到表面功能化MWCNTs(f-MWCNTs-DH)。以聚乳酸(PLA)为基体,分别以改性前MWCNTs(p-MWCNTs、f-MWCNTs和f-MWCNTs-DH为改性剂,经熔融共混制备一系列PLA纳米复合材料。利用红外光谱仪(FITR).透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、热重分析仪(TGA)、紫外-可见分光光度仪、激光纳米粒度仪、万能电子拉力机、旋转流变仪和微型燃烧量热计(MCC)等,表征改性前后MWCNTs的结构和表面形貌,估算DOPO衍生物在MWCNTs表面的相对接枝率,研究改性前后MWCNTs在乙醇中的粒径和分散稳定性,测定改性MWCNTs对PLA力学性能、热稳定性、阻燃性能和流变性能的影响。运用Halpin-Tsai方程对PLA纳米复合材料的力学性能进行了模型评价。结果表明：(1) MWCNTs经混合强酸氧化后表面出现羧基；DOPO衍生物在MWCNTs上的相对接枝率为51%; p-MWCNTs、f-MWCNTs和f-MWCNTs-DH的粒径分别12147.6nm、176.1 nm和352.3 nm,改性后的MWCNTs在在无水乙醇中具有良好的分散稳定性。(2)改性MWCNTs可显著提高聚乳酸的力学性能,f-MWCNTs-DH改性效果最好。当f-MWCNTs-DH添加量为0.1%时,复合材料的力学性能最优。复合材料的缺口冲击强度为16.9 kJ／m2,较纯PLA提高了32.6%。(3) Halpin-Tsai模型可用于评价f-MWCNTs-DH在PLA基体中的分散效果和预测复合材料的弹性模量。通过效率系数和方向系数校正,能较好拟合复合材料的弹性模量,预测复合材料中f-MWCNTs-DH的最佳用量,结合复合材料热稳定性和燃烧性能,为优化复合材料的配方、组成提供理论依据。(4) f-MWCNTs-DH能大幅提升PLA的热稳定性,提升材料的LOI到22,降低其燃烧时的热释放速率,从而改善阻燃性能。随f-MWCNTs-DH含量增加,复合材料的热稳定性提高,在f-MWCNTs-DH添加量为0.1%时。热释放速率最低,说明PLA基体中形成良好的网络结构,抑制燃烧,提高阻燃性。
【关键词】：聚乳酸 碳纳米管改性 形貌 性能 阻燃 Halpin-Tsai模型
【学位授予单位】：天津科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ314.248
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 1 前言9-22
• 1.1 聚乳酸(PLA)概述9-10
• 1.1.1 PLA的发展历史9
• 1.1.2 PLA的基本性质9
• 1.1.3 PLA的性能9-10
• 1.1.4 PLA的应用10
• 1.2 纳米材料10-11
• 1.2.1 纳米材料概述10
• 1.2.2 纳米材料的制备方法10-11
• 1.2.3 纳米材料的阻燃体系11
• 1.3 碳纳米管(CNTs)的概述11-15
• 1.3.1 CNTs的结构11-12
• 1.3.2 CNTs的分类12
• 1.3.3 CNTs的性能12-13
• 1.3.4 CNTs的改性13-14
• 1.3.5 CNTs的应用14-15
• 1.4 阻燃剂的概述15-18
• 1.4.1 阻燃剂的分类15-16
• 1.4.2 阻燃剂的发展趋势16-17
• 1.4.3 阻燃剂的阻燃机理17-18
• 1.5 9 10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)及其衍生物18-19
• 1.5.1 DOPO简介18
• 1.5.2 DOPO及其衍生物阻燃聚合物研究进展18-19
• 1.6 PLA纳米复合材料19-21
• 1.6.1 PLA纳米复合材料共混方法19-20
• 1.6.2 PLA纳米复合材料的研究进展20
• 1.6.3 PLA纳米复合材料的协同作用20-21
• 1.7 课题的研究目的与意义21
• 1.8 课题的主要内容21-22
• 2 材料与方法22-30
• 2.1 实验原料22
• 2.2 实验仪器22-23
• 2.3 样品制备23-25
• 2.3.1 原料预处理23
• 2.3.2 p-MWCNTs的氧化和酰氯化23
• 2.3.3 DOPO衍生物合成23
• 2.3.4 f-MWCNTs-DH的制备23-24
• 2.3.5 PLA复合材料的制备24-25
• 2.4 测试与表征25-30
• 2.4.1 红外光谱(FTIR)测试25
• 2.4.2 透射电镜(TEM)测试25
• 2.4.3 扫描电子显微镜(SEM)分析25
• 2.4.4 紫外可见分光光度仪测试25-26
• 2.4.5 粒径测试26
• 2.4.6 力学性能测试26-27
• 2.4.7 热重分析测试27-28
• 2.4.8 氧指数性能测试28
• 2.4.9 阻燃性能测试28-30
• 3 结果与讨论30-49
• 3.1 MWCNTs改性结果分析30-36
• 3.1.1 红外光谱分析30-31
• 3.1.2 微观形貌31-32
• 3.1.3 热失重分析32-33
• 3.1.4 SEM分析33-34
• 3.1.5 沉降实验34
• 3.1.6 吸光度34-35
• 3.1.7 粒径分析35-36
• 3.2. PLA纳米复合材料的力学性能分析36-39
• 3.2.1 缺口冲击强度36-37
• 3.2.2 拉伸强度37
• 3.2.3 弹性模量37-38
• 3.2.4 弯曲强度38-39
• 3.2.5 弯曲模量39
• 3.3 Halpin-Tsai力学模型的评价39-43
• 3.3.1 理想Halpin-Tsai模型39-41
• 3.3.2 有效ξ值预测41-42
• 3.3.3 Halpin-Tsai方程的α、η修正42-43
• 3.4 PLA纳米复合材料的阻燃性能与热稳定性分析43-49
• 3.4.1 MCC测试43-45
• 3.4.2 LOI分析45-46
• 3.4.3 残炭形貌46
• 3.4.4 热失重测试46-49
• 4 结论49-50
• 5 展望50-51
• 6 参考文献51-57
• 7 攻读硕士学位期间发表论文情况57-58
• 8 致谢58

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