竹粉纤维素微晶表面改性及其对环氧树脂和聚乳酸阻燃性能的影响
环氧树脂(EP)作为一种典型的热固性材料，由于其出色的机械性能，耐化学性和强表面附着力，被用于碳纤维复合材料，粘合剂，结构层压板，电气设备等。聚乳酸(PLA)是一种从乳酸中获得的绿色环保聚合物，由于其优异的机械性能、良好的加工性和高透明度，PLA展示出大规模生产的巨大潜力。虽然两者具有相当好的应用前景，但是聚合物材料固有的易燃烧特性使它们在使用过程中带有一定的安全隐患。因此，对EP和PLA进行阻燃改性是使它们得以广泛应用的必要手段。 聚磷酸铵(APP)是最广泛应用和高效的膨胀阻燃剂，通常作为膨胀阻燃体系的酸源，膨胀阻燃体系往往需配合碳源使用，传统的碳源如季戊四醇等，有用量大和相容性差的缺点。本文使用纤维素微晶作为碳源，其作为绿色可再生资源不仅能增加膨胀碳层，且能减少阻燃剂对力学性能的影响。 本文通过酸解法从竹粉中提取纤维素微晶(CMC)，并对其尺寸进行了扫描电镜观察。采用添加型加工方式将CMC和聚磷酸铵引入树脂基体中制备阻燃EP和阻燃PLA，研究其阻燃性能、力学性能等，并对其阻燃机理和力学增强机理进行了一系列的表征。主要结果如下: (1)纤维素微晶是一种具有糖苷键的线性多糖，采用3-氨基丙基三乙氧基硅烷偶联剂(KH550)对其进行表面改性，并通过扫描电子显微镜和红外光谱表征了改性纤维素微晶(KH550-CMC)的微观结构和化学结构。将KH550-CMC与APP通过浇铸法将CMC和APP引入环氧树脂中以获得阻燃复合材料。燃烧测试结果表明，EP中APP含量7.3wt％和KH550-CMC含量为3.7wt％时，实现了最大氧指数28.9％，垂直燃烧等级为Ⅴ-0级，并显著降低了峰值热量释放速率，从纯EP的1055kW/m2降低到286kW/m2。KH550-CMC的引入也可以改善EP复合材料的力学性能，其抗拉强度高于其他复合材料达到57.36MPa，其冲击强度提高到3.25KJ/m2，高于纯EP。样品断面的电镜结果显示，KH550-CMC相比于CMC和竹粉与树脂有更好的相容性，界面结合力更强。CMC的加入使材料有更好的成炭效果，促进连续致密炭层的形成，可以与APP发生酯化交联在凝聚相中发挥作用。 (2)用铝酸酯偶联剂(ACA)改性CMC，然后将ACA-CMC与APP复配引入环氧树脂基体中，制备阻燃EP复合材料。通过燃烧和力学性能、电镜观察分析等，得到了以下结果:阻燃剂APP与CMC的结合可以协同提高环氧树脂的阻燃性能，含有3.7wt％ACA-CMC的复合材料的pHRR值为290kW m-2，与纯EP的相比下降了72％。APP/ACA-CMC组合在改善阻燃性和机械性能方面比APP或APP/CMC更有效。含有ACA-CMC样品的冲击强度比含有KH550-CMC的样品提升更高，达到了3.70KJ/m2。样品断面微观结构也表明改性之后的CMC与基体有更好的界面结合力。对样品残炭的SEM观察发现，ACA-CMC的引入使环氧树脂复合材料具有良好的成炭效果，有效促进连续致密炭层形成，残炭比其他样品更加稳定，从而有效保护基体。 (3)通过熔融共混法将甲基丙烯酸改性纤维素微晶(MA-CMC)和聚磷酸铵引入到PLA中，同时提高了聚乳酸的阻燃性和力学性能。极限氧指数(LOI)、垂直UL-94和锥形量热(CONE)测试结果表明，含3％MA-CMC和7％APP的PLA复合材料的LOI可达到26.8％，在UL-94试验中可通过Ⅴ-0等级，其pHRR从556kW/m2降低到456kW/m2，并且在燃烧过程形成连续、致密、均匀的残炭，形成阻隔层以防止PLA的进一步燃烧。拉曼光谱分析显示，3％的MA-CMC可以使PLA复合材料的残炭具有更高的石墨化度，残炭结构更加稳定坚固。同时，PLA复合材料的拉伸强度和冲击强度得到显著提高，无缺口冲击强度为8.16KJ/m2。
环氧树脂;聚乳酸;表面改性;纤维素微晶;阻燃性能;力学性能
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
张胜
2019
中文
TQ323.5:TQ320.6;TQ316
2019-09-26（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）