铂化合物协同下可陶瓷化硅橡胶的防火性能研究及其机理分析

作     者：周慧慧 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蒋果;廖恺

授予年度：2020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）] 080502[工学-材料学] 

主      题：硅橡胶 可陶瓷化 聚磷酸铵 玻璃粉 阻燃性能 

摘      要：伴随着高分子材料的广泛使用,其易燃的特性使公共场合的消防安全问题变得越来越严峻,因此研究高分子材料的防火性能是很有必要的。可陶瓷化硅橡胶是现在应用比较广泛的高性能防火材料,被广泛应用于电梯、消防设备等公共设施的电线电缆。衡量可陶瓷化硅橡胶的防火性能主要从成瓷性、阻燃性、尺寸稳定性、自支撑性考虑,本文采用添加卡斯特有机铂催化剂/苯并三氮唑(Pt/BTA)阻燃剂、玻璃粉/聚磷酸铵(GD/APP)助熔剂复配和对助熔剂APP进行包覆改性的方法提高可陶瓷化硅橡胶的防火性能,并对机理进行了分析。首先以高温硫化混炼硅橡胶为基体,采用开炼机和密炼机将成瓷填料、助熔剂以及其他助剂分散到基体中,研究Pt/BTA的含量对可陶瓷化硅橡胶的阻燃性、成瓷性、自支撑性、尺寸稳定性的影响。研究结果表明,加入Pt/BTA后,复合材料的降解速率降低,质量残余量增大,降解温度提高,热稳定性被有效改善。当Pt/BTA添加量为2.78×10份时,复合材料的UL-94垂直燃烧等级由不能评级提升到V-0等级,燃烧时的热释放量(THR)和烟释放量(TSP)明显降低,阻燃性显著提升。分析其原因,加入Pt/BTA后,硅橡胶降解的分子机理降解过程被抑制,自由基机理降解过程被促进,阻止了硅橡胶的剧烈降解,并促进三维网络结构形成,提高了残渣的致密性,有效地隔绝热量和氧气。Pt/BTA的引入另一方面也提高了其他性能,当Pt/BTA添加量为2.78×10份时,在1000°C烧蚀的陶瓷弯曲强度与加入Pt/BTA之前相比提升了100%以上,在600、800和1000°C烧蚀时都可以支撑自身的重量。利用液化共晶机理解释了原因,Pt/BTA催化了GD与其他无机填料的共晶反应,有效地提高了可陶瓷化硅橡胶的陶瓷强度。由于GD体系尺寸稳定性较差,因此在GD体系中引入APP助熔剂。研究表明,两种助熔剂对可陶瓷化硅橡胶性能的影响有所不同。SEM和XRD结果表明,当以GD为助熔剂时,GD会与其他无机填料发生共晶反应,生成新的晶相,在1000°C烧蚀的陶瓷三点弯曲强度由5.4 MPa提升到34.96 MPa,然而线性收缩率由9%上升到24%,尺寸稳定性大幅度降低。当以APP为助熔剂时,线性收缩率由9%减少到0%,然而陶瓷不能支撑三点弯曲强度测试,这是因为在烧结过程中虽然有新的晶体产生,但共晶反应不充分,陶瓷不连续。当GD和APP比例为4:2时,可陶瓷化硅橡胶具有比较优良的综合性能,1000°C烧蚀时,弯曲强度达到23 MPa,线性收缩率只有12%,并且能够支撑自身的重量。通过Al Cl和氨水的反应在APP表面合成氢氧化铝(ATH),制备了ATH@APP包覆型的填料,研究表明,ATH通过溶液法成功包覆在了APP表面,并且改性后的填料降解速率明显降低,质量残余显著提高,由15.9%提升到64.3%。ATH@APP代替APP和部分ATH添加到体系中发现,复合材料降解速率和质量损失减少。制备的硅橡胶复合材料在1000°C烧蚀的陶瓷强度显著提升,自支撑测试中的弯曲角度也明显变小。利用液相共晶机理解释了原因,改性之后,一方面ATH和APP接触面积增加,反应更加充分,另一方面,ATH的存在形式是无定形的,更容易失水,与APP发生共晶反应,抑制了APP的剧烈降解,并且使Al PO晶体结晶度明显增强,陶瓷相也更加致密,改善了APP体系高温烧结不足的缺陷,提升了可陶瓷化硅橡胶的防火性能。