纳米CG-ATH的表面改性及其在高抗冲聚苯乙烯中的应用研究

【摘要】氢氧化铝是传统的无机阻燃剂,广泛应用于塑料,橡胶等高分子材料中。氢氧化铝的起始失重温度在200℃左右,不能应用于加工温度较高的聚合物基体中,如高抗冲聚苯乙烯(HIPS)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)和尼龙66(PA66)等。而经结构改性后得到的纳米CG-ATH的起始失重温度超过330℃,可广泛地应用于各种加工温度的聚合物基体中。本论文将经不同表面改性剂改性后的纳米CG-ATH应用于HIPS体系中,通过对所得复合材料阻燃性能和力学性能的研究,确定适宜的表面改性剂为钛酸酯偶联剂T1,针对此改性剂,研究了改性剂用量、改性时间和改性温度对纳米CG-ATH表面改性结果的影响,确定了适宜的表面改性条件,即：改性剂用量1.5wt%,改性时间20min,改性温度85℃。对在最佳改性条件下得到的纳米CG-ATH进行了透射电镜(TEM)、热失重(TG)和红外光谱(FTIR)分析,结果表明：表面改性后,纳米CG-ATH的分散性得到明显改善,热失重率有所增加,偶联剂T1在纳米CG-ATH颗粒表面进行了有效的包覆改性。将纳米CG-ATH添加到HIPS树脂中,分别考察了改性纳米CG-ATH及未改性纳米CG-ATH对HIPS树脂的阻燃性能和力学性能的影响,结果表明：不论是添加改性纳米CG-ATH还是添加未改性纳米CG-ATH,均可提高HIPS的阻燃性能和弯曲性能,但是当添加量较高时,均会严重损害HIPS树脂的冲击性能,并在一定成程度上降低其拉伸性能。此外,填充量低于12wt%时,纳米CG-ATH表面改性与否对HIPS/CG-ATH纳米复合材料的阻燃性能和力学性能基本没有影响；填充量超过12wt%后,添加有改性纳米CG-ATH复合材料的阻燃性能和力学性能明显高于添加有未改性纳米CG-ATH复合材料的阻燃性能和力学性能。对添加有改性纳米CG-ATH的HIPS复合材料和添加有未改性纳米CG-ATH的HIPS复合材料进行了扫描电镜(SEM)和透射电镜分析,结果表明：填充量较低时,改性与未改性纳米CG-ATH在HIPS基体中均有较好的分散性；填充量较高时,改性纳米CG-ATH在HIPS基体中的分散性和与HIPS基体的粘结性均比未改性纳米CG-ATH好。对HIPS、纳米CG-ATH和HIPS/CG-ATH纳米复合材料进行了TG分析,结果表明：纳米CG-ATH的加入有助于提高HIPS的热稳定性。为了改善HIPS/CG-ATH纳米复合材料的阻燃性能和力学性能,分别研究了相容剂苯乙烯接枝马来酸酐(SMA)和高抗冲聚苯乙烯接枝马来酸酐(MHIPS)对HIPS/CG-ATH纳米复合材料阻燃性能和力学性能的影响,结果表明：相容剂SMA的加入虽可提高复合材料的阻燃性能、拉伸性能和弯曲性能,但对复合材料冲击性能的提高没有产生明显的效果,而对HIPS复合材料来说,冲击性能是非常重要的性能；对于相容剂MHIPS,当其添加量适中时,所得复合材料的阻燃性能和力学性能均能得到明显的提高。此外,在改性纳米CG-ATH体系中添加MHIPS后所得复合材料的力学性能和阻燃性能均优于在未改性纳米CG-ATH体系中添加MHIPS后所得复合材料的力学性能和阻燃性能。对添加及未添加MHIPS的HIPS复合材料进行了SEM和TEM分析,结果表明：MHIPS的加入显著改善纳米CG-ATH在HIPS基体中的分散性及其与HIPS基体间的界面粘合性。为了减少阻燃剂的添加量,以降低由于阻燃剂的添加给HIPS力学性能带来的不利影响,研究了纳米CG-ATH与其它一些阻燃剂构成的复配阻燃体系对HIPS阻燃性能和力学性能的影响,同时也研究了MHIPS和SBS对HIPS复合材料阻燃性能和力学性能的影响,结果表明：季戊四醇、聚磷酸铵和三聚氰胺组成的膨胀型阻燃剂不适合应用于HIPS体系中。仅在HIPS体系中添加纳米CG-ATH和聚磷酸铵,当复合材料的冲击强度降到1.49kJ/m2时,其阻燃性能仍未达到UL94垂直燃烧级别的要求。纳米CG-ATH与包覆红磷有很好的协效阻燃作用,将二者进行复配,在阻燃剂总添加量为32wt%时,即可使HIPS复合材料的阻燃性能满足UL94V-0级的要求,但此时复合材料的冲击强度仅为2.37kJ/m2,而在HIPS体系中加入一定量的MHIPS后,在阻燃剂总添加量为30wt%时,HIPS复合材料的阻燃性能即可满足UL94V-0级的要求,并且复合材料的冲击强度也提高到4.13kJ/m2。纳米CG-ATH、包覆红磷和有机硅酮聚合物之间或纳米CG-ATH、包覆红磷和有机改性蒙脱之间也表现出很好的协效阻燃作用,在同样达到UL94V-0级阻燃要求的情况下,与仅添加纳米CG-ATH和包覆红磷的阻燃体系相比,添加纳米CG-ATH、包覆红磷和有机硅酮聚合物或添加纳米CG-ATH、包覆红磷和有机改性蒙脱土时所用阻燃剂的总量有所减少,所得复合材料的冲击性能也有所提高,但是,此时所得复合材料的力学性能仍不太理想。利用纳米CG-ATH、包覆红磷和MPPO对HIPS进行协同阻燃,当HIPS复合材料达到UL94V-0级阻燃要求时,其冲击强度为4.78kJ/m2。此外,SBS对HIPS复合材料有很好的增韧作用,适量SBS的加入,可以使HIPS复合材料的冲击强度提高一倍左右,并且不会影响复合材料的阻燃性能,也不会使复合材料的拉伸性能和弯曲性能变得太差。论文研究课题为国家“863”计划资助项目(编号：2002AA302605)。
【作者】崔文广；
【导师】郭奋；
【作者基本信息】北京化工大学，化学工程，2007，博士
【关键词】纳米CG-ATH；高抗冲聚苯乙烯；阻燃；力学性能；复合材料；

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