UiO-66/聚磷酸铵对聚苯乙烯阻燃性能的影响研究

作     者：谌文玲 

作者单位：中国科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蒋勇

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：聚苯乙烯 微胶囊化聚磷酸铵 UiO-66 MOFs 阻燃剂 抑烟 

摘      要：聚苯乙烯（PS）作为世界上五大通用塑料之一,有着非常广泛的应用范围。这主要归功于它优异的物理性能,如低密度、易于加工、耐热耐磨、尺寸稳定和低成本等。其目前主要的应用领域有建筑、电子设备、汽车及航空航天等。然而,PS如同一把双刃剑,在给人们带来便利和利益的同时也给人们的生活带来的潜在的危险。PS是一种特别容易燃烧的有机高分子材料,因此在生产和生活中极易发生火灾。PS在燃烧时会释放出大量的有毒烟气,同时还会伴有熔融低落的现象。一方面,有毒烟气不仅会导致被困人员以及救援人员呼吸困难甚至窒息,同时还会增加救援人员的救援难度。另一方面,熔融低落的高温PS融滴极易引燃周围可燃物从而加大燃烧范围,扩大火灾危害。因此在这种趋势下,科研人员便一直致力于寻找阻燃效率高、能够抑制烟气释放以及环保无卤的阻燃剂来提高聚苯乙烯的防火安全性。UiO-66是一种含有阻燃元素锆（Zr）的金属有机骨架材料（MOFs）,其结构是由含有Zr的正八面体骨架和12个对苯二甲酸有机配体组成的。UiO-66具有优异的热稳定性和化学稳定性,是当前MOFs材料中稳定性能较好的一种。一般来说,晶体在合成过程中会发生一部分的配体缺陷,从而能够导致了晶体的多孔性。有很多研究表明,MOFs与有机高分子材料结合能够提高高分子材料的某些性能。本文研究了将UiO-66通过熔融共混引入PS基体中对PS/UiO-66复合材料的防火安全性能的影响。同时,还进一步研究了UiO-66与MFAPP协同作用于PS基体时,其PS复合材料的燃烧性能与阻燃性能的变化。研究过程中,采用了X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）以及透射电镜（TEM）来测试与表征UiO-66、APP、MFAPP和各类PS复合材料及其残渣的结构和形貌,同时通过极限氧指数（LOI）测试、热重分析（TGA）和电子万能试验机分别对PS复合材料的热性能和力学性能进行了分析测试,之后通过锥型量热仪（CC）和微型量热仪（MCC）对PS复合材料的燃烧性能进行了分析,最后运用了拉曼光谱仪对其残渣进行了石墨化程度分析。研究结果如下:（1）UiO-66的引入,能够增强PS/UiO-66的热稳定性并改善其阻燃性能,适量的UiO-66还能在一定程度上提高其复合材料的机械性能。锥型量热仪测试的结果表明,相比较于纯PS的最大热释放速率（pHRR）,PS/UiO-66-5wt%复合材料降低至540由744 kW/m2,降幅达26.8%。PS/UiO-66-5wt%复合材料的总热释放量（THR）低至58MJ/m2,与纯PS（68 MJ/m2）相比降低了14.7%。与此同时,PS/UiO-66-5wt%复合材料的最大烟气释放速率（pSPR）由0.77m2/s（纯PS）降低至0.42 m2/s,总烟气释放量由63.6m2/m2（纯PS）降低至41.1 m2/m2。随后,对PS复合材料进行了热重-红外分析,研究结果与锥型量热议的测试结果基本一致,表明UiO-66的添加对复合材料有抑烟效果。（2）将UiO-66与MFAPP协同作用于PS基体,以熔融共混的方式制备出PS/MFAPP和PS/MFAPP/UiO-66等复合材料。XRD、SEM等结构与形貌测试结果表明UiO-66与MFAPP在PS基体中分散均匀且与基体相互兼容;TG结果表明MFAPP与UiO-66的引入在一定程度上改善了PS复合材料的热稳定性;由MCC结果可得出,UiO-66和MFAPP的添加显著降低了PS复合材料的热释放速率和总热释放量,其中PS/MFAPP/UiO-66-3wt%的pHRR值降低至564.3W/g与纯PS的1137W/g相比降低了50.4%,THR值也降至32.1kJ/g,与纯PS的42.6kJ/g相比降低了22.8%。除此之外,力学性能测试结果表明了适量的UiO-66在一定程度上能够提高PS复合材料的拉伸强度,而对其断裂伸长率则随着添加量的增多而先升高后减小。