石墨烯、氮化碳基杂化物的制备及其聚氨酯阻燃性能的研究

发布时间：2019-08-02 21:13

【摘要】：热塑性聚氨酯弹性体(TPU)具有高模量、高强度、优良的耐磨性、耐化学品、耐水解、抗霉菌性和使用温度范围宽等优点,这些优异的性能使得热塑性聚氨酯广泛应用于运动装备、线缆、汽车、医药卫生、管材、薄膜等众多领域。然而TPU属于易燃物质,一旦引燃将发生剧烈燃烧反应,释放出大量的热量、有毒气体及烟雾,且伴有严重的熔融滴落现象。因此,对TPU进行阻燃处理是十分必要的。在TPU之中使用的阻燃剂可以简单分为有机与无机阻燃剂两大类,各自有着优缺点:有机阻燃剂具有与基体相容性好的优点,但是通常热稳定性差;而无机阻燃剂热稳定性好,但通常所需添加量较大,影响基材的力学性能和加工性能。有机-无机杂化物在聚合物的阻燃中有重要的作用,是由于它可以同时结合有机和无机组分的优势,可以大大改善阻燃剂的阻燃效率和与聚合物基体的相容性。本论文通过表面接枝改性与分子间氢键作用成功合成了三种有机-无机杂化物并对其结构与形貌进行表征,通过母粒法和熔融共混相结合的方法将杂化物成功的分散在TPU基体之中,研究有机-无机杂化物对TPU复合材料阻燃性能的影响,并从凝聚相和气相角度分析材料在热解过程中组成、结构以及相关产物的变化规律,阐明材料的阻燃、抑烟减毒机理具体研究工作如下:1、通过在GO表面原位接枝Cu(salen)配合物成功的制备了有机-无机杂化物(f-GO),通过母粒法与熔融共混法制备了 TPU纳米复合材料。TGA的结果表明TPU/Cu(salen)-f-GO复合材料的初始分解温度和残炭量有了明显的提高。与纯TPU样相比,TPU/Cu(salen)-f-GO复合物在热解过程中的总挥发性气体释放量明显下降,且有毒气体CO的产量也大幅降低。锥形量热仪测试结果表明TPU/Cu(salen)-f-GO 2.0的pHRR与纯TPU相比下降了 14%,SPR也有了明显的下降。研究结果表明杂化物Cu(salen)-f-GO中的无机GO片层的阻隔效应与有机Cu(salen)的催化成炭效果相结合,有效的减少挥发性气体的逸出与减缓热量传递,从而提高复合物的热稳定性、抑烟减毒与火安全性能。2、通过成盐反应和氢键作用制备了 g-C3N4/二乙基次膦酸铝(DAPHi)有机-无机杂化物(CDAPHi),同时制备了一种乳酸稳定的铜单质纳米颗粒,通过熔融共混的方法将铜颗粒与杂化物复配加入TPU基体中。热重结果表明杂化物中的g-C3N4对DAPHi起到隔离保护的作用,从而提高DAPHi的热稳定性;杂化物中有机组份与基体相容性好,从而提高了 TPU复合材料的拉伸强度;锥形量热仪测试表明杂化物添加到基体中降低了 pHRR和THR,且纳米铜颗粒与杂化物复配使用,TPU复合材料的pHRR和THR显著降低。研究表明杂化物中的有机DAPHi在热解过程中可释放中含磷的自由基捕捉剂在气相发挥阻燃作用,杂化物中的无机g-C3N4可以起到物理阻隔效应发挥凝聚相阻燃作用,而纳米铜颗粒可以与杂化物发挥协同阻燃作用,促进炭层形成,延缓聚合物的降解。3、通过分子设计合成了一种膦酰胺低聚物,将其与石墨状氮化碳通过氢键作用形成有机-无机杂化物,TGA结果表明无机的g-C3N4提高了杂化物的热稳定性。将石墨状氮化碳、膦酰胺低聚物和杂化物分别加入TPU基体之中,研究其对TPU的热稳定性和阻燃性能的影响。锥形量热仪结果表明有机膦酰胺低聚物有良好的催化成炭效果,但是由于其成炭速度较慢,在未形成有效炭层前释放出大量热量,导致其pHRR较高;而无机g-C3N4具有较好的阻隔效应显著降低pHRR,但是由于其缺乏催化成炭的能力,在燃烧后期发生降解之后,并不能持续发挥阻隔效应,从而导致较高的THR。有机-无机杂化的氮化碳/膦酰胺低聚物有效结合了二者的优点,在燃烧前期发挥g-C3N4的阻隔效应,保护膦酰胺低聚物,使其有效发挥自由基捕捉和催化成炭的作用,提高基体的阻燃性能,使得TPU/CPDMPD4复合物的pHRR与纯TPU相比分别下降了 49%,且烟释放速率和烟释放总量也有了显著下降,显示出良好的阻燃效果。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ334.1

【参考文献】