摘要: 从材料发展方向上看，制备具有优异物理和化学性能的材料是材料发展的热点方向。聚丙烯(PP)作为五大通用塑料之一，具有耐高温、耐腐蚀、无毒环保等优良性能因而广泛应用于包装材料、医疗设备、建筑材料、汽车工业和日用消费品等多个领域。虽然其优点... 展开 从材料发展方向上看，制备具有优异物理和化学性能的材料是材料发展的热点方向。聚丙烯(PP)作为五大通用塑料之一，具有耐高温、耐腐蚀、无毒环保等优良性能因而广泛应用于包装材料、医疗设备、建筑材料、汽车工业和日用消费品等多个领域。虽然其优点使材料应用范围广泛，但PP也具有突出的缺点，如容易燃烧，且在燃烧过程中释放有毒气体和烟雾，因而对财产和人身安全造成重大的威胁，这也极大地限制了PP的应用范围。因此提高PP的阻燃性能十分必要。在众多的阻燃方法中，在燃烧过程中形成致密的保护碳层是一种极为有效的方式。目前能形成致密保护层的阻燃方法主要有三种方式:添加纳米粒子、添加膨胀型阻燃剂和催化成碳阻燃。这些阻燃方法有各自的优点和缺点。如添加纳米粒子有添加量小，阻燃效率高且提高其他性能的优点，但是也有在传统测试(LOI，UL-94)表现不佳的缺点。而添加膨胀型阻燃剂具有阻燃效果好，能够通过传统测试的优点，但是也有添加量大，损害材料性能的缺点。因此综合纳米粒子阻燃和膨胀型阻燃剂的优点是进一步提高阻燃性能并制备多功能复合材料一种有效手段。 本论文通过物理共混或者化学改性的方法，将不同维度的碳材料或者将碳材料和膨胀阻燃剂相结合，从而提高燃烧过程中的碳层质量，制备具有优良阻燃性能的复合材料，同时系统地研究了复合材料的微观结构、流变学行为、热稳定性、力学性能、导电性能以及阻燃性能。具体研究内容如下: 1.将炭黑(CB)引入到聚丙烯(PP)/碳纤维(CF)复合材料中制备多功能材料。SEM表征表明一维的CF和零维的CB能够均匀地分散在PP基体中。相对于PP，材料的热稳定性有大幅度的提高。锥形量热仪测试结果表明复合材料的热释放峰值和热释放总量有了明显的降低。材料阻燃性能的提高是由于一维的CF和零维的CB在PP中形成了三维网络结构以及CB和CF能够加速PP自由基的交联。并且由于这种三维网络结构的形成使材料的导电性能提高到7.8 S/m。此外，CB的加入没有损害复合材料的力学性能。 2.在上一章的基础上，我们选取了5种长度不同的CF，研究CF长度对于CF/CB形成的网络结构的影响。光学显微镜照片表明，不同长度的CF在密炼之后长度不同。流变学表征表明材料在低频区的储能模量和复合粘度随CF长度变化而变化。复合材料的导电性能、阻燃性能以及残炭形貌也随碳纤维长度增加而发生改变。这是由于在CF长度较短时，CF和CB在PP基体中不能形成三维网络结构;而当CF长度增加时，CF和CB开始形成三维网络结构，但是随着CF长度进一步增加而CF数量减少（保持相同添加量），因此三维网络的稳定性降低。网络结构的变化导致材料的性能出现改变。此外，材料的力学性能也随CF的长度的增加出现规律性变化。 3.通过缩聚的方式在碳纳米管(CNTs)表面接枝膨胀阻燃剂来改善残炭形貌，然后与马来酸酐接枝聚丙烯(PPMA)进行共价反应来提高CNTs和PP的界面作用。最终制备的PP/FCNT(官能化的CNTs)表现出明显提高的力学性能和阻燃性能。例如，在添加FCNT后，PP的力学性能得到提高，且韧性得到保持，这是由于PP和FCNT之间有强烈的界面作用。在相同条件下，未改性碳管的PP/CNTs复合材料的断裂伸长率则急剧降低。更为重要的是PP/FCNT的阻燃性能明显优于PP和PP/CNTs。阻燃性能的提高是由于接枝的阻燃剂首先分解在CNTs表面形成碳层，而这种碳层能够在燃烧过程中保护CNTs免于剧烈的降解，从而使残炭质量得到提高。FCNT所形成的致密而连续的残炭不但阻隔热源的传递，而且抑制了PP分解的可燃气体产物向外扩散以及氧气向PP内部的扩散。 4.我们还研究了CB和聚磷酸铵(APP)对于PP阻燃性能的影响，发现同时添加CB和APP能够显著地提高PP的热稳定性、导电性能和阻燃性能。相对于添加25 wt％ APP，添加7wt％ CB和18 wt％ APP的样品(PP/7CB18APP)使极限氧指数(LOI)提高了47％，且垂直燃烧测试(UL-94)达到V-0等级。TGA测试表明，同时添加APP和CB能够显著提升PP在氮气中的最大热失重温度。锥形量热测试表明，相对PP和PP/25APP复合材料，PP/7CB18APP复合材料有更优异的阻燃性能。阻燃性能的提高是由于CB能够使APP提前分解，CB和APP形成稳定的网络结构，以及CB加速APP分解产物的交联，最终形成了致密连续无缝隙的碳层。由于网络结构的形成以及CB良好的导电性能，复合材料的导电性能得到大幅提高。 收起