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面向国家能源战略的重大需求,顺应生物基原材料做为替代化石燃料碳来源材料的重大战略部署,着力于可再生资源的一体化应用开发。本论文在综述耐高温聚酰胺的研究现状和进展的基础上,设计开发替代PA6T、PA9T等石油基聚酰胺,改善生物基聚酰胺存在的熔点低、加工易分解和阻燃性能差等问题,研究新型阻燃生物基半芳香聚酰胺复合材料的结构调控、工程化制备和阻燃功能化应用方案,制备具有优异表观硬度、高温尺寸稳定性和抗漏电性的阻燃生物基半芳香复合材料,探索其在航空航天和军械制造行业极大的应用潜力。为进一步提升材料的阻燃效率,选用表面功能化纳米材料制备生物基聚酰胺纳米复合材料,显著提升了其火安全性能,开发系列具有良好加工性能的阻燃生物基耐高温半芳香聚酰胺纳米复合材料。本文的研究内容具体如下:(1)通过调控生物基半芳香聚酰胺的结构设计改善其加工稳定性,基于PA10T均聚物,将部分对苯二甲酸单体替换成间苯二甲酸单体,为直链10T分子带来支链结构,进而影响其结晶、降低熔点,合成了一系列生物基含量相同、熔点不同的耐高温聚酰胺。使用IR、1H-NMR和13C-NMR对聚合产物的分子结构进行了确认,并使用DSC和TGA等测试对聚合产物的各项性能进行了表征,得到了生物基含量大于50%、且熔点高于280℃的各项性能优良的生物基半芳香聚酰胺(PA10T/10I)。(2)实现生物基半芳香聚酰胺复合材料的工业化制备,采用悬浮预聚合+真空转鼓固相增粘相结合的工艺,进行了生物基半芳香聚酰胺树脂的工业化制备。采用螺带搅拌器,解决了反应体系的搅拌问题,得到均一、稳定的预聚物;采用多反应釜、分段低温聚合技术,解决了生物基半芳香聚酰胺通常由于高温熔融导致的变色、发黄等问题,得到能够满足LED支架等需求的高亮、高白度树脂;采用改造的桨叶干燥机接料装置,使物料迅速冷却、粉碎和输送,解决了预聚合出料后的物料结块问题;建立了废水循环利用设备,使项目符合环保要求;采用真空管道伴热保温系统,避免反应过量的二胺单体在真空管内壁凝固、堵塞真空管道,进一步将二胺在旋风分离器中冷却、凝固和回收,优化了制备工艺。(3)改善生物基半芳香聚酰胺的阻燃性能和机械性能,选用无卤(Alpi)和有卤(BrPS/ZB=3:1)阻燃体系制备阻燃生物基半芳香聚酰胺复合材料,研究了阻燃剂和增强填料的种类和添加量对树脂阻燃和各项性能的影响。经过配方设计和工艺调整制备了 V-0级别复合材料。研究结果表明,新型阻燃生物基半芳香聚酰胺复合材料具有较低吸水率、流动性好、回流焊处理不起泡、颜色稳定性好、可回收性好等优势。(4)探索阻燃生物基半芳香聚酰胺的燃烧行为和阻燃机制,选用Raman光谱和X射线衍射(XRD)分析炭渣的石墨化程度;X射线光电子能谱(XPS)分析炭渣的成分;使用扫描电镜(SEM)分析炭渣的微观形貌,经过对比得出溴系阻燃剂体系和次膦酸盐阻燃剂体系改性的阻燃生物基半芳香聚酰胺复合材料在燃烧时的凝聚相机理。使用热重分析-红外光谱仪(TG-IR)和稳态管式炉平台(SSTF)技术手段对复合材料的气相产物随燃烧进行的变化规律进行分析,揭示其气相阻燃机理。阐明了生物基半芳香聚酰胺复合材料凝聚相交联炭化和气相自由基捕获的协同阻燃机理。(5)进一步增强生物基半芳香聚酰胺纳米复合材料的阻燃效率,以BP纳米片为模板,选用强亲电性的叠氮苯甲酸对其进行表面羧基化,再结合催化体系通过-COOH与POSS-NH2的反应制备表面功能化改性BP制备BP-CO-POSS有机无机杂化的纳米协效剂。将BP-CO-POSS替代部分AlPi制备了 PA/AlPi/BP-CO-POSS复合材料。通过研究复合体系的热解和燃烧行为,揭示新型的2D材料黑磷的高效阻燃性以及BP、POSS和Alpi的高效协同阻燃和抗滴落功效。