论文部分内容阅读
聚氯乙烯（PVC）具有耐腐蚀、可增塑、绝缘性好等优点,使其在工程领域应用极为广泛。PVC本身的含氯量高达56%,极限氧指数（LOI）高达45%-49%。但是,由于增塑剂等助剂的使用使PVC阻燃性能严重下降。现阶段,工程PVC领域通常采用添加微米级三氧化二锑（micro-Sb2O3）的方法改善其阻燃性能,由于在基体材料燃烧过程中微米颗粒反应面积较小,阻燃效果并不理想,而且当基体材料受到较大外部应力时,微米颗粒将会割裂基体,使基体材料的机械性能破坏严重。采用高能机械球磨法可将micro-Sb2O3有效纳米化,且此法具有成本低、工艺简单等优点。诚然,通过高能机械球磨法所得纳米级三氧化二锑（nano-Sb2O3）易团聚,需进一步改性,提高纳米颗粒分散性。因此,本文将首先通过高能机械球磨法将micro-Sb2O3纳米化,并选用工业增塑剂邻苯二甲酸二辛酯（DOP）、硅烷偶联剂KH791为改性剂,以高能机械球磨为加工方式,将所得nano-Sb2O3进一步表面改性,通过X射线衍射分析（XRD）表征Sb2O3纳米化与表面改性前后晶型变化,采用傅里叶红外（FTIR）表征nano-Sb2O3表面改性效果,采用粒度分析与透射电镜（TEM）分析改性后纳米颗粒分散性,以此确定nano-Sb2O3的最佳改性工艺;其次,将等质量比的nano-Sb2O3与micro-Sb2O3加入PVC基体中,制备mirco-Sb2O3/DOP/PVC与nano-Sb2O3/DOP/PVC复合材料,通过极限氧指数测试（LOI）、垂直燃烧等级测试（UL-94）、锥形量热测试（CCT）研究纳米级与微米级Sb2O3对PVC基复合材料阻燃性能的不同影响,通过热重分析（TGA）研究对复合材料热稳定性能的影响差异,并通过拉伸测试对比nano-Sb2O3与micro-Sb2O3对PVC基复合材料拉伸强度与杨氏模量的破坏程度;最后,向PVC基复合材料中添加等质量比的改性nano-Sb2O3,制备PVC基复合材料,通过上述检测方法分析经不同含量与种类改性剂改性后的nano-Sb2O3对PVC基复合材料阻燃性能、热稳定性能、拉伸强度和杨氏模量的影响差异,以制备高阻燃性能与较好力学性能兼具的PVC基复合材料。主要研究内容与结果概括如下:（1）对micro-Sb2O3采用高能机械球磨纳米化后,有效地降低了Sb2O3粒径,使其主要粒径分布于90-200 nm之间,在此过程中未改变Sb2O3晶型。（2）对nano-Sb2O3表面改性的过程中,亦未改变nano-Sb2O3的晶型结构。通过对改性nano-Sb2O3进行FTIR表征发现,改性剂DOP与KH791均成功地连接于纳米粒子表面。通过对nano-Sb2O3进行粒度与TEM分析发现,改性后的纳米粒子粒径普遍减小,分散性得到较大地提升。其中,经2.0 wt%-KH791改性的nano-Sb2O3分散性最佳,且其主要粒径尺寸降低至80-140 nm区间。通过对纳米颗粒进行Zeta电位分析发现不同改性剂对纳米颗粒表面Zeta电位绝对值具有不同影响效果,经DOP改性后的纳米颗粒表面Zeta电位绝对值出现降低趋势,经KH791接枝改性纳米颗粒后的表面Zeta电位值呈现出升高的趋势。其中,使用2.0 wt%-KH791对Sb2O3改性时,纳米颗粒表面Zeta电位绝对值可升至34.5 mV;使用7.0 wt%-DOP对纳米颗粒改性时,Sb2O3表面Zeta电位绝对值可降至3.5 mV。（3）向PVC基体中添加同质量比的micro-Sb2O3与nano-Sb2O3时,nano-Sb2O3对PVC复合材料的阻燃性能提升明显优于micro-Sb2O3。经锥形量热测试表征,nano-Sb2O3对软质PVC火灾威胁降低更为显著,2.0 wt%-nano-Sb2O3/DOP/PVC复合材料THR值降至28.6 MJ/m2、总产烟量TSP降至10.9 m2,燃烧残样表面炭层致密,具有良好的阻燃性能。通过热重分析表征发现,含有质量比为2.0 wt%-nano-Sb2O3的PVC基复合材料残碳量可达9.010%,且其热稳定性能明显优于含等质量比micro-Sb2O3的PVC基复合材料。在PVC基复合材料拉伸测试中发现nano-Sb2O3/DOP/PVC复合材料下降趋势更平缓。（4）通过对比不同改性状态下的质量比为2.0 wt%的nano-Sb2O3对PVC基复合材料性能影响发现,采用不同配比改性nano-Sb2O3对PVC基复合材料性能产生不同影响。在LOI测试中,采用2.0 wt%-KH791改性nano-Sb2O3制备的PVC基复合材料具有30.4%的最高值。在锥形量热测试中,经2.0 wt%-KH791改性nano-Sb2O3制备的复合材料,其有效燃烧时间仅为169 s,THR值最低,但HRR峰值达到259.97 kW/m2;经5.0 wt%-DOP改性nano-Sb2O3制备的复合材料HRR峰值最低,但有效燃烧时间最长;经2.0 wt%-DOP与1.0 wt%-KH791改性nano-Sb2O3制备的复合材料HRR峰值与有效燃烧时间均得到有效降低。通过热重分析发现,nano-Sb2O3颗粒经改性后可对基体材料热稳定性进一步提升,尤其是经2.0 wt%-KH791改性nano-Sb2O3制备的复合材料,其热稳定性最好,且残炭率达到9.556%。在PVC基复合材料拉伸测试中发现,经5.0 wt%-DOP改性nano-Sb2O3制备的复合材料效果最为明显,其拉伸强度值增至15.9 MPa,杨氏模量值增至2.1 GPa。