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核—壳型聚磷酸铵阻燃剂的制备及其阻燃聚氨酯性能和机理的研究

作　者: 倪健雄
导　师: 胡源；宋磊
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 高分子化学与物理
关键词: 微胶囊聚磷酸铵硅凝胶燃烧性能耐水性聚氨酯弹性体阻燃机理
分类号: TQ314.248
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

微胶囊技术是指利用天然的或合成的高分子材料,将固体的、液体的、甚至是气体的微小物质包覆,形成直径1—1000μm的一种具有半透性或封闭膜的微型胶囊技术。聚磷酸铵(APP)作为高聚物的阻燃剂,阻燃效果好;分解温度高,热稳定性好;溶解度低,吸湿性小,可很好地与涂料、橡胶、塑料等混合而不影响主体物料的物理性能。由于目前聚磷酸铵的生产受到生产条件限制,一般制得的聚磷酸铵与有机材料兼容性不好,不能完全达到力学性能要求,为了使其能够发挥阻燃作用,需要对其颗粒表面进行改性,使其热稳定性能满足某些聚合物的要求。并且聚磷酸铵还存在吸湿性较大的缺点,限制了在材料上的应用。因此也必须对聚磷酸铵进行某种改性处理才能使用。一、本文慨述了目前微胶囊化阻燃剂的制备方法和发展现状,通过比较各种方法的优缺点,发现采用原位聚合法微胶囊APP比较合适。二、采用季戊四醇和2,4-甲苯二异氰酸酯为原料利用原位聚合法制备核-壳型阻燃剂。微胶囊中APP的红外特征峰消失和/或减弱,且出现明显的聚氨酯特征峰;微胶囊表面磷元素含量急剧降低,且表面元素组成与实验设计产物元素组成十分接近;胶囊化聚磷酸铵的耐水性不同温度下至少降低80%;产物的T-5wt%为316.1℃;微胶囊化APP后可以增强其在PU中的热稳定性和相容性;在潮湿环境中可以在很大程度上保持其阻燃性,PUMCAPP30在75℃水处理7d后仍可通过UL-94 V-0燃烧等级测试;其最大热释放速率与添加APP相比下降38.4%,总热释放量下降28.1%,质量损失率也有明显降低,这是由于其在燃烧过程中可以形成更加致密的膨胀炭层造成的。三、在前面工作基础上采用PEG来增韧聚氨酯壳层以改善微胶囊的脆性,且PEG-1000/PER=2:1型微胶囊形貌最为完整,具有最好的耐水性。在聚氨酯结构引入柔性链PEG后,分子间的氢键作用力明显降低; APP颗粒表面磷元素由11.31%下降到1.46%,说明大部分APP颗粒被包覆。所得微胶囊初始分解温度T-5wt%为292.6℃,适合用于阻燃大多数高分子材料;微胶囊可以明显改善APP在PU中的热稳定性和相容性。聚氨酯微胶囊化APP提高了APP的阻燃效果,特别是提高了其成炭率,延缓了燃烧行为。与此同时,PUMAPP25在处理7d,阻燃剂仅损失4.9%,且可通过UL-94 V-0测试,说明微胶囊可以在保持材料阻燃性能。四、采用溶胶-凝胶法制备硅凝胶来微胶囊化聚磷酸铵,以期得到耐水性明显改善的磷硅阻燃体系。微胶囊中出现Si-O-Si键和Si-O-C键的伸缩振动峰等硅凝胶特征峰;且表面磷原子含量下降到1.84%;N原子下降到3.79%,且表面O1s峰属于Si-O键能级分裂振动峰。硅凝胶包覆APP后,其与水的接触角明显减小,润湿性显著降低;覆后颗粒表面显得粗糙不平,没有尖锐的晶体棱角出现。微胶囊的T-5wt%为284。2℃,且克增强其在PU中的热稳定性和相容性;添加微胶囊化聚磷酸铵后材料的最大热释放速率、总热释放量以及质量损失率均有明显降低,这说明了所得磷-硅阻燃剂具有协同阻燃效果。五、对比聚磷酸铵与硅凝胶以不同结合形式阻燃聚氨酯时各项性能的差异。研究发现:硅凝胶不能改变PUAPP体系热降解行为;但PUMCAPP中O=C-N以及N-H官能团降解行为明显得到抑制。ATR-FTIR研究发现在复合材料刚开始熔融时,熔体黏度很大,微胶囊迁移遇到的阻力比较大,PUMCAPP表面含硅物质变化含量比较小;当温度升高后,材料基体主链发生降解,熔体黏度降低,在热焓推动下微胶囊迁移的阻力急剧减小,PUMCAPP表面硅物含量质明显提高;接着材料表面附近形成的少量分散炭层阻碍了微胶囊的迁移,硅化合物增加的速度放缓;当温度继续升高时,微胶囊内部进一步分解释放出大量气体,使熔体黏度减小,炭层迅速膨胀,大量微胶囊也随之迁移、聚集到材料表面。硅凝胶微胶囊会不断向PUMCAPP表面迁移,并在表面缩合、交联形成高热稳定性且具有一定强度大量纳米二氧化硅互穿网络,可以有效防止熔体滴落和氧气、热量向基体内部传播。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-34
  1.1 引言  12-13
  1.2 微胶囊化阻燃剂概述  13-15
    1.2.1 微胶囊技术  13-14
    1.2.2 阻燃剂微胶囊化的目的  14-15
  1.3 微胶囊化阻燃剂的囊材选择  15-17
    1.3.1 微胶囊化阻燃剂的制备方法及原理  15-17
  1.4 微胶囊技术在阻燃剂上的研究现状  17-26
    1.4.1 无机阻燃剂微胶囊的研究进展  17-24
      1.4.1.1 微胶囊化无机非磷阻燃剂  17-19
      1.4.1.2 微胶囊化红磷  19-21
      1.4.1.3 微胶囊无机含磷阻燃剂  21-24
    1.4.2 有机阻燃剂微胶囊的研究进展  24-26
      1.4.2.1 微胶囊化有机磷系阻燃剂  25
      1.4.2.2 有机卤系微胶囊化阻燃剂  25-26
  1.5 本论文的研究意义、研究思路和内容  26-29
    1.5.1 研究意义  26-27
    1.5.2 研究思路和内容  27-29
  参考文献  29-34
第二章聚氨酯微胶囊化聚磷酸铵及其在聚氨酯弹性体中性能的研究  34-52
  2.1 引言  34-35
  2.2 实验部分  35-37
    2.2.1 试剂及原材料  35
    2.2.2 实验仪器  35
    2.2.3 聚氨酯微胶囊聚磷酸铵的制备  35-36
    2.2.4 阻燃聚氨酯弹性体复合材料的制备  36-37
    2.2.5 材料结构表征及性能测试  37
  2.3 结果与讨论  37-48
    2.3.1 聚氨酯微胶囊的表征  37-42
      2.3.1.1 微胶囊表面结构与组成  37-39
      2.3.1.2 反应时间对微胶囊耐水性的影响  39
      2.3.1.3 反应时间对微胶囊形貌的影响  39-40
      2.3.1.4 微胶囊的耐水性  40-41
      2.3.1.5 微胶囊的热稳定性  41-42
    2.3.2 微胶囊阻燃剂在聚合物中的性质  42-48
      2.3.2.1 微胶囊对阻燃PU 热降解行为的影响  42-43
      2.3.2.2 微胶囊对阻燃PU 相容性的影响  43-44
      2.3.2.3 微胶囊对聚氨酯/APP 复合材料阻燃性能的影响  44-45
      2.3.2.4 微胶囊对聚氨酯/APP 复合材料燃烧性能的影响  45-47
      2.3.2.5 微胶囊对聚氨酯/APP 复合材料燃烧炭层形貌的影响  47-48
  2.4 本章小结  48-50
  参考文献  50-52
第三章增韧型聚氨酯微胶囊化聚磷酸铵及其在聚氨酯弹性体中性能的研究  52-70
  3.1 引言  52-53
  3.2 实验部分  53-55
    3.2.1 试剂及原材料  53
    3.2.2 实验仪器  53
    3.2.3 聚氨酯微胶囊聚磷酸铵的制备  53-54
    3.2.4 阻燃聚氨酯弹性体复合材料的制备  54
    3.2.5 材料结构表征及性能测试  54-55
  3.3 结果与讨论  55-66
    3.3.1 聚氨酯微胶囊的表征  55-61
      3.3.1.1 微胶囊表面结构与组成  55-56
      3.3.1.2 PER 与PEG 组成对微胶囊形貌的影响  56-58
      3.3.1.3 PER 与PEG 组成对微胶囊耐水性的影响  58-59
      3.3.1.4 囊材量对微胶囊耐水性的影响  59-60
      3.3.1.5 微胶囊的热稳定性  60-61
    3.3.2 微胶囊阻燃剂在聚合物中的性质  61-66
      3.3.2.1 微胶囊对阻燃PU 热降解行为的影响  61-62
      3.3.2.2 微胶囊对阻燃PU 相容性的影响  62-63
      3.3.2.3 微胶囊对聚氨酯/APP 复合材料燃烧性能的影响  63-65
      3.3.2.4 微胶囊对聚氨酯/APP 复合材料阻燃性能的影响  65-66
      3.3.2.5 微胶囊对聚氨酯/APP 复合材料耐水性的影响  66
  3.4 本章小结  66-68
  参考文献  68-70
第四章硅凝胶包裹聚磷酸铵及其在聚氨酯弹性体中性能的研究  70-88
  4.1 引言  70-71
  4.2 实验部分  71-74
    4.2.1 试剂及原材料  71
    4.2.2 实验仪器  71
    4.2.3 硅凝胶包裹聚磷酸铵的制备  71-72
    4.2.4 阻燃聚氨酯弹性体复合材料的制备  72-73
    4.2.5 材料结构表征及性能测试  73-74
  4.3 结果与讨论  74-85
    4.3.1 硅凝胶微胶囊的表征  74-80
      4.3.1.1 微胶囊表面结构与组成  75-77
      4.3.1.2 微胶囊对APP 颗粒形貌的影响  77-78
      4.3.1.3 微胶囊对APP 颗粒润湿性的影响  78
      4.3.1.4 微胶囊对APP 耐水性的影响  78-79
      4.3.1.5 微胶囊的热稳定性  79-80
    4.3.2 微胶囊阻燃剂在聚合物中的性质  80-85
      4.3.2.1 微胶囊对阻燃PU 热降解行为的影响  80-81
      4.3.2.2 微胶囊对阻燃PU 相容性的影响  81-82
      4.3.2.3 微胶囊对聚氨酯/APP 复合材料阻燃性能的影响  82-83
      4.3.2.4 微胶囊对聚氨酯/APP 复合材料燃烧性能的影响  83-84
      4.3.2.5 微胶囊对聚氨酯/APP 复合材料耐水性的影响  84-85
  4.4 本章小结  85-86
  参考文献  86-88
第五章硅凝胶微胶囊化聚磷酸铵阻燃聚氨酯弹性体的机理研究  88-108
  5.1 引言  88-89
  5.2 实验部分  89-90
    5.2.1 试剂及原材料  89
    5.2.2 实验仪器  89
    5.2.3 硅凝胶包裹聚磷酸铵及硅凝胶的制备  89
    5.2.4 阻燃聚氨酯弹性体复合材料的制备  89-90
    5.2.5 材料结构表征及性能测试  90
  5.3 结果与讨论  90-104
    5.3.1 膨胀阻燃聚氨酯弹性体的热氧化降解特性  90-93
    5.3.2 膨胀阻燃聚氨酯弹性体的ATR-FTIR 迁移特性研究  93-94
    5.3.3 膨胀阻燃聚氨酯弹性体的XPS 迁移特性研究  94-96
    5.3.4 膨胀阻燃聚氨酯弹性体的燃烧特性  96-98
    5.3.5 膨胀阻燃聚氨酯弹性体的燃烧炭层形貌比较  98-101
    5.3.6 膨胀阻燃聚氨酯弹性体的燃烧炭层成分分析比较  101-104
  5.4 本章小结  104-106
  参考文献  106-108
全文总结  108-110
攻读硕士期间发表的论文和专利  110-111
致谢  111

核—壳型聚磷酸铵阻燃剂的制备及其阻燃聚氨酯性能和机理的研究

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