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有机硅阻燃剂的合成、表征及其性能研究

作　者: 张顺
导　师: 吴宁晶
学　校: 青岛科技大学
专　业: 材料学
关键词: 有机硅树脂有机硅阻燃剂合成阻燃性能 TG-FTIR联用
分类号: TQ314.248
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着高分子材料工业的迅速发展,阻燃剂和阻燃材料的研制、生产及应用也得到快速发展。由于材料性能和环保的要求越来越严格,一些阻燃剂已经不能满足实际应用中的要求,开发和应用具有环保、低毒、高效和多功能化的无卤化的阻燃剂成为当今阻燃剂的发展趋势。有机硅阻燃剂具有的一系列优异的性能和环保兼容性,使其开发和应用前景十分巨大。有机硅阻燃剂在PC、PC/ABS合金中应用阻燃效果较好,但有机硅阻燃剂与聚烯烃共混,其阻燃性能很少能达到UL 94V-0级。因此,本文在前人研究的基础上,在有机硅阻燃剂的分子结构中引入其他阻燃元素,使其之间产生协效作用,以提高有机硅阻燃剂的阻燃性能及其适用范围。本文主要研究了以下几个方面的工作:(1)以苯基硅烷和氨基硅烷为原料,水为介质的条件下,合成苯基含量不同的氨基苯基有机硅树脂,讨论物料配比、反应时间、反应温度和催化剂的用量对产率影响。实验结果表明:苯基硅烷和氨基硅烷的配比为9:1,反应温度为50oC,反应时间为4h时,产率最高,为91.0%。(2)以苯基含量不同的有机硅树脂和中间体氯化螺环磷酸酯反应,制备了同时含有Si、P、N的有机硅阻燃剂,通过FT-IR和1H-NMR表征了有机硅树脂和有机硅阻燃剂的分子结构。(3)将有机硅树脂和有机硅阻燃剂与聚丙烯(PP)共混,测试共混体系的阻燃性能及其力学性能。结果显示:随着有机硅树脂和有机硅阻燃剂加入量的增大,其相应的极限氧指数也逐渐增大,并且苯基含量越大,PP/有机硅树脂共混体系的极限氧指数也逐渐增大。如加入20wt%的9:1有机硅树脂时,其极限氧指数有纯PP的17.8%增加到25.5%,而加入同样含量的7:3有机硅树脂,其极限氧指数增加到24.1%;有机硅阻燃剂因结构中引入含P基团,其阻燃性能有所增加。如9:1有机硅阻燃剂在加入量为20wt%时,其极限氧指数有17.8%增加到26.7%。其体系的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度随着阻燃性能的增加而有所降低,但变化幅度不大;而扯断伸长率则下降幅度较大。此外,有机硅阻燃剂在结构中引入含P基团的改善了材料的机械性能。(4)通过TG分析来了有机硅树脂和有机硅阻燃剂在N2气氛下的热稳定性。实验结果表明:有机硅树脂和有机硅阻燃剂都具有良好的热稳定性。在400oC以后才表现出较高的热失重,并且900oC时的残炭量较高。如8:2有机硅树脂在350oC与500oC之间失重9.85%,在500oC～900oC失重15.93%,900oC时残炭量为66.47%。引入含P基团的有机硅阻燃剂,因为氯化螺环磷酸酯的热稳定性差,有机硅阻燃剂的热稳定性有所将下降,900oC时的残炭量也有所降低。(5)通过热失重-红外光谱联用技术,分析了有机硅树脂和有机硅阻燃剂及其与PP共混体系在空气气氛中的热降解过程。实验结果显示:有机硅树脂和有机硅阻燃剂的热降解主要分为两个阶段,第一阶段主要是500oC以前,这一阶段没有气体放出,主要是分子结构中的羟基失水和大分子链的断裂;第二阶段是500oC到900oC之间,这一阶段分子链裂解为CO2、CO、NO2等气体。有机硅树脂和有机硅阻燃剂与PP共混体系的热降解温度主要在300oC附近,主要是PP的分子链段的断裂引起。另外,通过偏光显微镜观察了样品燃烧后的表面炭层,随着有机硅聚合物加入量的增加,表面炭层逐渐增加,且结构致密。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-29
  1.1 前言  11-12
  1.2 阻燃剂分类  12-20
    1.2.1 无机阻燃剂  13
    1.2.2 有机阻燃剂  13-20
      1.2.2.1 卤系阻燃剂  14
      1.2.2.2 有机磷系阻燃剂  14-16
      1.2.2.3 氮系阻燃剂  16-17
      1.2.2.4 膨胀性阻燃剂  17-19
      1.2.2.5 有机硅阻燃剂  19-20
  1.3 阻燃作用机理  20-22
    1.3.1 气相阻燃机理  20-21
    1.3.2 凝聚相阻燃机理  21
    1.3.3 中断热交换阻燃机理  21-22
  1.4 有机硅阻燃剂国内外研究进展  22-27
  1.5 选题的背景及意义  27
  1.6 课题的研究目标和内容  27-29
第二章有机硅树脂和有机硅阻燃剂的合成及其表征  29-39
  2.1 引言  29
  2.2 实验部分  29-32
    2.2.1 实验原料  29-30
    2.2.2 结构表征与测试  30
      2.2.2.1 红外光谱测试  30
      2.2.2.2 核磁共振氢谱测试  30
    2.2.3 有机硅树脂的合成  30-31
    2.2.4 有机硅阻燃剂的合成  31-32
      2.2.4.1 中间体氯化螺环磷酸酯的合成  31
      2.2.4.2 有机硅阻燃剂的合成  31-32
  2.3 结果与讨论  32-38
    2.3.1 合成有机硅树脂的影响因素  32-35
      2.3.1.1 不同原料配比下有机硅树脂的合成  32-33
      2.3.1.2 不同反应时间下有机硅树脂的合成  33
      2.3.1.3 不同反应温度下有机硅树脂的合成  33-34
      2.3.1.4 催化剂对反应产率的影响  34-35
    2.3.2 有机硅树脂和有机硅阻燃剂的结构表征  35-38
      2.3.2.1 有机硅树脂FT-IR 分析  35-36
      2.3.2.2 有机硅阻燃剂的红外光谱图  36-37
      2.3.2.3 有机硅树脂和有机硅阻燃剂的核磁共振氢谱（1H-NMR）分析  37-38
  2.4 本章小结  38-39
第三章有机硅树脂和有机硅阻燃剂的性能研究  39-53
  3.1 引言  39
  3.2 实验部分  39-41
    3.2.1 实验原料及来源  39-40
    3.2.2 有机硅树脂与有机硅阻燃剂共混试样的制备与性能测试  40-41
      3.2.2.1 试样的制备  40
      3.2.2.2 氧指数的测试  40
      3.2.2.3 拉伸性能的测试  40
      3.2.2.4 弯曲性能的测试  40-41
      3.2.2.5 冲击性能的测试  41
  3.3 实验结果和讨论  41-51
    3.3.1 有机硅树脂和有机硅阻燃剂在PP 中的阻燃性能  41-44
      3.3.1.1 有机硅树脂在PP 中的阻燃性能  41-42
      3.3.1.2 有机硅阻燃剂在PP 中的阻燃性能  42-44
    3.3.2 有机硅树脂和有机硅阻燃剂对PP 力学性能的影响  44-51
      3.3.2.1 有机硅树脂和有机硅阻燃剂对PP 拉伸性能的影响  44-47
      3.3.2.2 有机硅树脂和有机硅阻燃剂对PP 弯曲性能的影响  47-49
      3.3.2.3 有机硅树脂和有机硅阻燃剂对PP 冲击强度的影响  49-51
  3.4 本章小结  51-53
第四章有机硅树脂和有机硅阻燃剂的热降解行为研究  53-71
  4.1 引言  53
  4.2 实验部分  53-54
    4.2.1 样品的测试  53-54
      4.2.1.1 热失重（TG）分析测试  53
      4.2.1.2 红外光谱（FT-IR）测试  53-54
      4.2.1.3 偏光显微镜测试  54
  4.3 结果与讨论  54-70
    4.3.1 有机硅树脂和有机硅阻燃剂的热失重（TG）分析  54-57
      4.3.1.1 有机硅树脂的热失重（TG）分析  54-56
      4.3.1.2 有机硅阻燃剂的热失重（TG）分析  56-57
    4.3.2 有机硅树脂和有机硅阻燃剂热失重-红外光谱（TG-FTIR）联用  57-65
      4.3.2.1 有机硅树脂TG-FTIR 分析  57-60
      4.3.2.2 有机硅阻燃剂TG-FTIR 分析  60-61
      4.3.2.3 PP/有机硅树脂共混体系的TG-FTIR 分析  61-63
      4.3.2.4 PP/有机硅阻燃剂共混体系的TG-FTIR 分析  63-65
    4.3.3 有机硅树脂和有机硅阻燃剂的热降解行为的固体残渣分析  65-68
    4.3.4 偏光显微镜观察共混体系燃烧后的表面炭层  68-70
  4.4 本章小结  70-71
结论  71-73
参考文献  73-78
攻读学位期间发表的学术论文目录  78-79
致谢  79-80

有机硅阻燃剂的合成、表征及其性能研究

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