氮化硼基复合阻燃剂的制备及其对环氧树脂阻燃性能影响的研究

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氮化硼纳米片(BNNS)是一种具有二维(2D)分层结构的新兴材料,可在聚合物燃烧时起到类石墨烯的物理屏障作用,作为阻燃剂使用。然而,与石墨烯类似,未功能化的BNNS不仅阻燃性能差,而且容易堆叠。针对上述问题,我们通过引入几种复合组分来防止BNNS的堆叠、提高其阻燃性能。首先,采用具有阻燃功能的铁酸铋(BF)纳米颗粒对BNNS进行表面功能化,得到一种新型的BF-BNNS纳米复合阻燃剂,以抑制BNNS的堆叠,提高其在环氧树脂(EP)中的分散性能和阻燃性能。其次,采用铁酸锌(ZF)纳米颗粒修饰BNNS,得到一种新型的超顺磁性ZF-BNNS纳米复合阻燃剂;通过动态调控磁场来控制ZF-BNNS在EP中的分散状态,以保持BNNS的阻燃阻隔效应,并利用ZF-BNNS的分布取向进一步提高阻燃性能。最后,采用先形成三维聚磷酸铵/氮化硼/铁酸锌(APP/BN/ZF)阻燃剂气凝胶骨架、后灌注EP的方式制备了EP复合阻燃材料,以有效提高阻燃剂填充量以及在EP中的分散性能,改善EP复合材料的阻燃性能。主要研究内容和结果如下:1.BF-BNNS纳米复合阻燃剂的制备、表征以及对EP阻燃性能影响的研究通过水热法制备了BF-BNNS纳米复合阻燃剂,采用透射电子显微镜(TEM)和X-射线粉末衍射仪(XRD)等表征了其结构;并考察了BF-BNNS添加剂对EP的阻燃性能的影响。TEM和XRD表征结果表明,BF-BNNS纳米复合阻燃剂由BF和BNNS双相组成;尺寸为15 nm左右的BF纳米颗粒位于BNNS表面。锥形量热试验结果表明,添加3.0 wt%的BF-BNNS可以使EP的热释放速率峰值(PHRR)、烟产生速率峰值(PSPR)和CO产量峰值(PCOP)分别降低34.7%、35.6%和50.0%,显示出良好的阻燃性能。动态热机械分析(DMA)结果表明,BF-BNNS可以提高EP的玻璃化转变温度和储能模量,显示出良好的动态热机械性能。结合BF-BNNS在EP中的分散状态、残炭形貌和成分,以及EP热解过程分析可知,BF能提高BNNS在EP中的分散性能,减少EP热解产物中芳香族化合物和CO毒性气体的释放量,并能形成连续致密、石墨化程度高的炭层,因此显示出较好的阻燃性能。2.ZF-BNNS纳米复合阻燃剂的制备、表征以及在EP中的磁控排列与阻燃性能研究通过溶剂热法制备了ZF-BNNS纳米复合阻燃剂,采用XRD和TEM表征了其结构;随后将ZF-BNNS添加到EP中,通过动态磁场调控控制ZF-BNNS在EP中的分布取向,考察了ZF-BNNS磁控取向对EP阻燃性能的影响。结果表明,所制备的ZF-BNNS纳米复合阻燃剂具有超顺磁性,其位于BNNS表面的ZF纳米颗粒尺寸约为50 nm。XRD和断面扫描电子显微镜(SEM)分析结果显示,利用磁场调控可使ZF-BNNS在EP基体中形成一定的取向。锥形量热试验结果显示,得益于BNNS的水平阻隔效应,具有一定取向分布的ZF-BNNS的阻燃性能最优。结合ZF-BNNS在EP中的分布取向、残炭形貌和成分,以及EP热解产物分析可知,具有取向的ZF-BNNS有利于BNNS更好地阻隔热、热解产物和氧气,并且ZF-BNNS可以提高炭层的石墨化程度和致密度,因而具有较好的阻燃性能。3.三维APP/BN/ZF气凝胶阻燃剂的构筑以及对EP阻燃性能的影响采用冷冻干燥方法制备了三维APP/BN/ZF复合气凝胶;经灌注EP的方式得到EP复合阻燃材料。采用XRD、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)及SEM表征了其结构;并考察了三维APP/BN/ZF复合气凝胶对EP阻燃性能的影响。结果表明,经冷冻干燥处理后,APP与BNNS之间通过氢键作用形成具有三维多孔、低密度的APP/BN/ZF复合气凝胶结构;真空灌注EP后,气凝胶的多孔结构消失,形成阻燃剂质量分数为24.0%的致密EP复合材料。与EP基体相比,EP复合材料的极限氧指数(LOI)由21.2提升至28.7,PHRR和总热释放量(THR)分别降低86.2%和86.5%,显示出良好的阻燃性能。结合EP复合材料的残炭以及热解过程分析可知,通过灌注方式制备的EP复合阻燃材料炭层石墨化程度和热稳定性高,热解产物中的不燃气体的释放量明显较高、可燃有机烃类和芳香族化合物的释放量明显较低,因而显示出较好的阻燃性能。此外,使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)和疏水SiO2在该EP复合材料表面构筑微纳结构,可以赋予其超疏水特性。
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