本文设计合成了一种新型三嗪系成炭-发泡剂(CFA),并对反应机理进行分析,通过红外光谱(FTIR)、元素分析(ELA)、固体碳核磁(13C solid NMR)、TGA对其结构进行了表征,并对其热稳定性进行了分析。TGA测试结果表明CFA具有很高的热稳定性和成炭性,其中以CFA1最为优秀,1%分解温度为300.2℃,600℃时炭残余量为48.2%,800℃时炭残余量为32.2%。通过把CFA与聚磷酸铵(APP)及Zeolite 4A复配,构成新型膨胀阻燃剂(IFR),将其用于聚丙烯阻燃,研究了CFA与APP的比例关系、不同IFR添加量对聚丙烯阻燃材料的阻燃性能与力学性能的影响。实验结果确定了一种优秀的成炭-发泡剂(CFA1)和阻燃性能比较好的配方:当APP/CFA1为4/1时,只需添加18%含有Zeolite 4A协效剂的IFR1,阻燃PP材料可通过垂直燃烧UL-94 V0级,氧指数为34.3%。采用热重分析仪(TGA)和锥形量热仪(CONE)对IFR1/PP和IFR1/PP/Zeolite 4A进行热降解和燃烧行为的测试,结果表明IFR1的加入使聚丙烯的热降解和燃烧行为发生变化,使得PP体系的热释放速率(HRR)、热释放总量(THR)、质量损失速率(MLR)、CO的生成速率(COP)以及烟产生速率(SPR)都有较大幅度的下降。研究还显示Zeolite 4A的加入不但能够催化促进体系分解,提高PP-IFR体系最终的成炭量,而且对PP体系的HRR、THR、MLR、COP以及SPR有一定的下降,提高了PP-IFR的阻燃性能。通过扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)、能谱仪(EDS)等分析测试手段,并结合TGA和CONE的分析结果,对膨胀阻燃PP体系燃烧后炭层结构和阻燃机理进行了研究。结果表明,IFR1/PP和IFR1/PP/Zeolite 4A燃烧后都能形成优质的膨胀炭层,但IFR1/PP/Zeolite 4A形成的炭层更致密更稳定,而且所形成的炭层属于网状结构。对炭层的内外表层分析表明,它们的炭结构不同,炭层的内表层形成早期膨胀炭层,而炭层的外表层主要形成以P-O-C、P-O-P键为主的交联炭层,这种炭层更加致密、稳定。
1 绪论 10-21
    1.1 聚合物的阻燃必要性 10
    1.2 聚合物的燃烧过程及阻燃机理 10-13
        1.2.1 物质的燃烧原理 10-11
        1.2.2 聚合物的燃烧过程 11-12
        1.2.3 聚合物的阻燃和阻燃机理 12-13
    1.3 阻燃剂现状及趋势 13-16
        1.3.1 阻燃剂的发展方向 13-15
        1.3.2 膨胀阻燃剂 15-16
    1.4 成炭阻燃的研究进展 16-18
        1.4.1 协同阻燃 16-17
        1.4.2 硅氧烷阻燃 17
        1.4.3 聚合物纳米阻燃 17-18
    1.5 聚丙烯阻燃的研究进展 18-19
        1.5.1 含卤阻燃体系 18-19
        1.5.2 含磷阻燃体系 19
        1.5.3 无机金属氢氧化物阻燃体系 19
        1.5.4 无卤膨胀阻燃体系 19
    1.6 本课题的研究内容及意义 19-21
2 实验部分 21-28
    2.1 成炭-发泡剂的合成 21-22
        2.1.1 合成原理 21
        2.1.2 实验用原材料 21
        2.1.3 合成路线以及方法 21-22
    2.2 结构表征 22-23
        2.2.1 红外光谱分析(FTIR) 22
        2.2.2 固体碳核磁分析(~(13)C solid NMR) 22
        2.2.3 元素分析(ELA) 22-23
        2.2.4 溶解度测试 23
    2.3 阻燃聚丙烯的制备 23-24
        2.3.1 实验用原材料 23
        2.3.2 主要仪器及设备 23
        2.3.3 阻燃PP的样品制备 23-24
    2.4 阻燃PP的性能分析与测试 24-28
        2.4.1 阻燃性能测试 24-25
        2.4.2 力学性能测试 25-26
        2.4.3 热降解行为测试 26
        2.4.4 CONE测试 26
        2.4.5 红外光谱(FTIR) 26-27
        2.4.6 扫描电镜及能量元素分析仪(SEM-EDS) 27-28
3 三嗪系成炭-发泡剂的合成与表征及应用 28-44
    3.1 三嗪系成炭-发泡剂的合成 28-30
    3.2 反应机理分析 30
    3.3 三嗪系成炭-发泡剂在聚丙烯中的应用 30-38
        3.3.1 阻燃PP/CFA1/APP/Zeo 4A体系的阻燃性能和力学性能研究 30-34
        3.3.2 阻燃PP/CFA2/APP/Zeo 4A体系的阻燃性能和力学性能研究 34
        3.3.3 阻燃PP/CFA3/APP/Zeo 4A体系的阻燃性能和力学性能研究 34-35
        3.3.4 阻燃PP/CFA4/APP/Zeo 4A体系的阻燃性能和力学性能研究 35-36
        3.3.5 阻燃PP/CFA5/APP/Zeo 4A体系的阻燃性能和力学性能研究 36-37
        3.3.6 阻燃PP/CFA6/APP/Zeo 4A体系的阻燃性能和力学性能研究 37-38
    3.4 三嗪系成炭-发泡剂的结构与性能表征 38-42
        3.4.1 FTIR分析 38-39
        3.4.2 固体碳核磁分析(~(13)C solid NMR) 39-41
        3.4.3 元素分析(ELA) 41
        3.4.4 溶解度测试 41
        3.4.5 热稳性分析 41-42
    3.5 本章小结 42-44
4 膨胀阻燃PP的热降解与燃烧行为研究 44-53
    4.1 膨胀阻燃PP的热降解研究 44-47
        4.1.1 各阻燃组分及复配体系的热降解行为研究 44-46
        4.1.2 膨胀阻燃PP材料的热降解行为 46-47
    4.2 膨胀阻燃PP材料的燃烧行为 47-52
    4.3 本章小结 52-53
5 膨胀阻燃PP的阻燃机理研究 53-60
    5.1 扫描电镜(SEM) 53-55
    5.2 红外光谱分析(FTIR) 55-56
    5.3 能量元素分析(EDS) 56-59
    5.4 本章小结 59-60
结论 60-62