纳米羟基草酸铝的表面改性及其在电缆料中的阻燃应用研究

【摘要】随着人类在生活和生产的实践中识火、用火、驾驭火,火灾事故、防火、灭火技术就开始与人类社会时时相伴。进入现代社会后,高分子材料被广泛应用,因其易燃性引发的火灾频频出现,对聚合物进行阻燃成为防火技术关注的热点之一,卤系阻燃剂就是一个代表。如今随着人们的环境保护意识的提高,由于传统的卤系阻燃剂在阻燃的同时会产生卤化氢等酸性有毒物质,在燃烧中不会产生有毒物质的无机阻燃剂开始被人们青睐。然而传统的无机阻燃剂阻燃效率较低,同时大量的填充又会造成聚合物的力学性能严重恶化,所以高阻燃效率、能够保持聚合物力学性能的新型无机阻燃剂的开发成为当前的研究热点。北京化工大学超重力工程技术研究中心利用超重力与水热改性技术,成功制备出一种新型的纳米尺度的铝系阻燃剂,经研究表明,该阻燃剂具有较高的热稳定性和分解失重率,在提高复合材料的热稳定性方面有明显作用。本论文主要对这种新型纳米铝系阻燃剂的在阻燃电缆料方面的作用进行探讨。由于该无机阻燃剂的表面极性较强,与非极性树脂结合力弱；同时阻燃效率仍有提高的空间,针对以上两方面,作者进行了以下研究工作：(1)对该新型纳米铝系阻燃剂的结构进行确认,进行表面改性和与树脂间界面增容的研究；(2)将其应用于LDPE体系中,进行以该纳米铝系阻燃剂为主阻燃剂的协效阻燃研究。首先通过TG-DSC、FTIR、XRD、ICP-AES和元素分析,探讨分析了该新型铝系阻燃剂的结构,并根据结构特点命名其为纳米羟基草酸铝(nanosizedHydroxylAluminumOxalate,简称nano-HAO)。采用传统的湿法改性工艺对nano-HAO表面改性,利用FTIR、TG-DSC和沉降试验等测试手段考察改性产品的表面性能,通过调整改性剂的种类、改性温度、改性剂用量及粉体浆液的浓度,筛选出适合于填充LDPE体系的改性剂和适宜的改性工艺参数为：改性剂选用钛酸酯偶联剂T2,改性温度为90℃,改性剂用量为3%,粉体浆液浓度为20%。创新性地采用乳液聚合法对nano-HAO进行表面包覆。TEM和BET分析结果表明：乳液聚合法合成nano-HAO复合粒子尽管存在软团聚现象,在树脂中该复合粒子仍比经过偶联剂改性后的nano-HAO粉体具有更好的分散性。但是由于聚合反应中单体所生成聚合物具有较低的强度和热稳定性,会造成复合材料的力学性能和燃烧性能降低。通过添加马来酸酐接枝聚合物类相容剂提高nano-HAO与LDPE/EPDM体系的相容性,考察相容剂基体和用量在界面增容作用中的影响,研究结果表明：随着相容剂用量的增加,纳米无机粒子nano-HAO分散程度增加,粒径减小；但相容剂在作用时,用量不宜过多,否则参与的低分子量物质容易起到增塑作用。在对无机氢氧化物与nano-HAO的填充对聚合物的力学性能和燃烧性能影响的比较中,研究结果表明nano-HAO的填充对复合材料的力学性能的降低影响最小,而且nano-HAO的阻燃效能最高。对nano-HAO/LDPE/EPDM复合材料的热性能分析、活化能计算分析、红外分析和锥形量热分析结果表明,nano-HAO在复合材料燃烧时,有效掠夺氧气反应,生成水和二氧化碳,在燃烧区有效的稀释燃气浓度,同时产生的氧化铝可以形成阻隔层。但是由于nano-HAO中氧化铝的生成量相对较少,会使炭层阻隔作用减弱。针对nano-HAO在阻燃作用中的上述弱点,分别在LDPE/EVA体系和LDPE/EPDM体系选择其他阻燃剂进行复配,所选择的阻燃剂主要包括常用协效阻燃剂(包覆红磷、氢氧化镁和硅酮)和近几年新兴的阻燃剂(镁盐晶须和蒙脱土),以及当前阻燃研究报道较少的高岭土。对这些阻燃剂与nano-HAO的协效作用研究表明：包覆红磷母料在阻燃方面增效性最好,同时复合材料的力学性能因母料基体的作用而下降较少；镁盐晶须不仅可以拓宽阻燃剂的作用温度范围和提高复合材料的热稳定性能,还可以对复合材料增强增韧；硅酮的添加可以有效地提高复合材料的LOI；蒙脱土的加入可以调整炭层的密度分布,有效控制燃烧过程中的气体和热量的传递以实现其对nano-HAO的正协效作用；高岭土的加入可以使其颗粒与nano-HAO在炭层中搭建出较密的骨架结构,由此提高了对气体和热量的阻隔性能。此外,通过考察各协效阻燃剂在添加时对复合材料的力学性能的影响,发现除传统协效阻燃剂——红磷外,高岭土对复合材料力学性能的恶化影响最小,当其与nano-HAO共同作用时,不仅可以使复合材料的阻燃性能达到FV-0级,还可以保证复合材料优良的力学性能。
【作者】常志宏；
【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】纳米羟基草酸铝(nano-HAO)；表面改性；LDPE；阻燃；电缆料；

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