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聚丙烯(PP)是一种综合性能优异的通用塑料,但由于易燃烧,大大限制了其应用范围。含卤阻燃剂具有优良的阻燃性能,曾被广泛应用,但在发生火灾时,含卤阻燃材料会产生大量的烟雾和有毒气体,造成“二次危害”,所以研究无卤阻燃PP非常必要。在PP的无卤阻燃体系中,金属氢氧化物是一类很具发展前景的阻燃剂。这类阻燃剂绿色环保,来源广泛,但因为阻燃效率低、添加量大,严重损害材料的力学性能和加工性能。因此,解决金属氢氧化物阻燃体系存在的弊病,对研究无卤阻燃PP有重大的意义。
本文采用碱式硫酸镁晶须(MOS)、氢氧化镁(MH)和有机蒙脱土(OMMT)为阻燃剂,制备了阻燃性能良好的无卤阻燃PP;为了改善OMMT在基体树脂中的分散,分别通过熔融插层法和原位插层聚合法制得高OMMT含量的聚丙烯接枝马来酸酐/有机蒙脱土(PP-g-MAH/OMMT)纳米复合物和聚醋酸乙烯酯/有机蒙脱土(PVAc/OMMT)纳米复合物,并将其作为母料与PP、MOS等进一步熔融共混得到阻燃性能和力学性能良好的阻燃PP。并通过热重分析(TGA)、X射线衍射分析(XRD)、透射电镜(TEM)和锥形量热分析(CONE)等方法对阻燃材料进行了表征,主要研究内容和成果包括:
第一,采用MOS作为阻燃剂制备了阻燃PP,并研究了OMMT对阻燃PP性能的影响。结果发现,MOS对PP有很好的增强阻燃作用,相同填充量下,MOS的阻燃效果优于MH;添加少量OMMT可以明显提高MOS的阻燃性能。当OMMT与MOS用量分别为3.0wt%和40.0wt%时,阻燃PP的LOI为29.0%,其热释放速率峰值(pHRR)和平均热释放速率(mHRR)分别为156.5 kW/㎡和112.9 kW/㎡,比PP分别下降了83.3%和72.1%。同时,其抑烟性能也大大改善,阻燃PP的生烟速率(SPR)和总生烟量速率(TSP)大幅下降。
第二,通过熔融插层法制备了OMMT含量高达50.0wt%的PP-g-MAH/OMMT纳米复合物。XRD结果表明,PP-g-MAH/OMMT中OMMT的层间距由2.64nm增大至3.74nm,形成插层型PP-g-MAH/OMMT纳米复合物;将其作为母料与PP、MOS进一步熔融共混,研究发现,由于OMMT片层的分散性得到改善,母料法比直接法制备的阻燃PP有更好的阻燃性能和力学性能,当OMMT和MOS的用量分别为3.0wt%和40.0wt%时,直接法阻燃PP的pHRR和mHRR分别为228.8 kW/㎡和132.7 kW/㎡,而母料法阻燃PP的pHRR和mHRR更低至163.7 kW/㎡和117.9 kW/㎡。
第三,通过原位插层聚合法制得OMMT含量最高达50.0wt%的PVAc/OMMT纳米复合物。XRD结果表明,PVAc/OMMT纳米复合物中OMMT层间距从2.64nm增大至3.84nm,形成插层型PVAc/OMMT纳米复合物;并将其作为母料与PP进一步熔融共混制备了PP/OMMT。比较了母料法和直接法制备阻燃PP的性能,结果发现,母料法比直接法更具优势,母料法制备阻燃PP的pHRR为193.7 kW/㎡,比基体下降了79.1%;与此同时,其总释放热(THR)、烟释放速率(SPR)和总生烟量(TSP)等均大幅下降,阻燃效果显著。