次磷酸铝阻燃协效体系对PA66性能及机理研究

发布时间：2020-06-25 12:19

【摘要】：聚酰胺是一种重要的工程塑料,具有优良的机械性能和化学稳定性等特点,因此广泛应用于汽车、建筑和电子电器等领域。然而由于聚酰胺的易燃和易产生熔滴的特性而限制了材料的使用,将阻燃剂添加到聚酰胺材料中可以改善其阻燃性能。传统的方法是采用卤素阻燃剂对材料进行阻燃改性,尽管能够取得较好的阻燃效果,但在燃烧过程中有毒和腐蚀性气体的释放对环境产生了负面影响。近些年来的研究可以发现,含磷阻燃剂是一种环境友好型阻燃剂,利用含磷阻燃剂阻燃聚酰胺的研究和应用受到人们的高度重视。在磷系阻燃剂中,次磷酸盐阻燃剂对聚酰胺具有显著的阻燃效果。但为了达到较高的阻燃效率,次磷酸盐阻燃剂的添加量普遍较高,因而材料的力学性能明显降低。本文中选取了次磷酸铝(AlHP)和二乙基次磷酸铝(AlPi)两种阻燃剂与四种不同类型的协效剂采用熔融共混的方法对PA 66(polyamide 66)进行阻燃改性,四种协效剂分别为海泡石(Sep)、纳米二氧化硅(SiO2)、硅树脂(SI)和竹炭(BPC)。将次磷酸盐阻燃剂同协效剂进行协效后添加到材料中,可以起到降低阻燃剂总的添加量和提高材料力学性能的作用。同时也对协效体系与PA 66材料的阻燃作用机制进行初步的探索。采用垂直燃烧(UL-94)和极限氧指数(LOI)对阻燃PA 66协效体系的阻燃性能研究。结果表明：将Sep、SiO2和SI三种协效剂分别加入到阻燃PA 66/AlPi和PA 66/AlHP体系中后可以发现,AlPi和AlHP两种阻燃剂的阻燃效率显著提高,氧指数也维持在较高的水准。AlPi与0.2μm和5μm两种规格的BPC进行协效后加入到PA 66材料中,样条不能通过垂直燃烧测试。而将AlHP与两种规格的BPC进行协效,可以发现BPC的加入能够显著的提高PA 66/AlHP体系的阻燃性能。通过垂直燃烧和氧指数分析可以证明Sep、SiO2和SI三种协效剂与AlPi和AlHP两种阻燃剂都存在着显著的协效作用。而BPC的加入降低了AlPi的阻燃效率,相反,BPC与AlHP之间协效作用比较明显。利用锥形量热仪(CONE)对阻燃PA 66协效体系的燃烧性能进行分析。研究结果表明,Sep、SiO2和SI三种协效剂的加入能够显著的降低阻燃PA 66材料的热释放速率(PHRR)、热释放总量(THR)等重要参数。对于PA 66/AlHP阻燃体系而言,BPC的加入能够显著的提高阻燃材料的燃烧性能。采用热重分析技术(TGA)对PA 66阻燃体系的热降解行为进行研究。结果表明：将Sep、SiO2口SI加入到PA 66/AlPi和PA 66/AlHP两种阻燃体系中,可以增加两种阻燃体系的残留物生成量,显著的提高体系在高温区的热稳定性。对于包含0.2gm和5μmBPC的PA 66/A1HP阻燃体系,其降解过程都向高温区移动,最终残留物的生成量分别为14.5 wt %和23.93 wt %。可以证明BPC的加入可以显著的提高材料的热稳定性通过热重分析-红外光谱联用技术(TG-IR)、傅里叶红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)等方法对协效阻燃PA 66体系的阻燃机理进行研究。可以证明：A1Pi对PA 66材料是通过气相机理起到阻燃作用的。Sep、SiO2和SI三种协效剂的加入使得A1Pi通过凝聚相阻燃机理对PA 66起到阻燃作用；而A1HP对PA66材料进行阻燃时,凝聚相机理起到阻燃的主导作用。Sep、SiO2和SI三种协效剂可以和AlPi降解产生的二乙基次磷酸形成含磷酸盐,减少含磷化合物的挥发量。利用XPS对PA 66/AlPi/SI体系的残留物进行分析,发现体系的磷含量明显提高。因此能够证明协效阻燃体系可以通过凝聚相阻燃机理对PA 66进行阻燃,提高PA 66材料的成炭能力,并且起到加固炭层的作用。对于PA 66/AlHP阻燃材料,协效剂的加入能够促使A1HP降解生成磷酸和焦磷酸,在固相中,磷酸和焦磷酸可以促进PA 66降解成炭,且降解后产生的致密炭层可以阻止氧和热传递到聚合物基体内部,有利于提高材料的阻燃性能。通过力学性能测试可以发现,Sep、SiO2和SI三种协效剂的加入可以改善PA66/AlPi(AlHP)阻燃体系力学性能的降低趋势。将BPC加入到PA 66阻燃体系中后,和纯PA 66相比较,阻燃材料的拉伸强度和弯曲强度具有显著的提高,而冲击强度却有所降低。当A1HP加入到PA 66/BPC协效体系中后,材料的力学性能有所下降。但除了冲冲击强度以外,拉伸强度和弯曲强度依然高于纯PA 66体系。
【学位授予单位】：东北林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ323.6

【参考文献】