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改性氢氧化铝的制备及其对整体中空复合材料阻燃性能的影响研究

2020-12-27 来源:爱go旅游网
改性氢氧化铝的制备及其对整体中空复合材料阻燃性能的影响研究/骆冬冬等 ・ 337 ・ 改性氢氧化铝的制备及其对整体中空复合材料阻燃性能的影响研究 骆冬冬,俞科静,钱坤,曹海建,高卫卫 (江南大学生态纺织教育部重点实验室,无锡214122) 摘要 为了提高整体中空复合材料的阻燃性能,利用D()P()型硅烷偶联剂对氢氧化铝(ATH)进行表面改性 制得IX)PO/ATH。对改性后的ATH进行红外光谱分析(FT IR),结果表明,在ATH与I)()P()型硅烷偶联剂之间 存在化学键合。I ()1和UI,94测试结果表明,D()P() ATH对整体中空复合材料的阻燃性能具有提高作用。当球磨 改性制得I)()P()/ATH的填充量达到2O 时,整体中空复合材料的I ()I值为29 ,并且通过UI 一94 v_O测试。 关键词 氢氧化铝整体中空复合材料阻燃性能 Preparation of New Flame Retardant Unsaturated Hollow Integrated Sandwich Composites Based on ATH Surface Modification LUO Dongdong,YU Kejing,QIAN Kun,CAO Haijian,GA(1)Weiwei (Key Laboratory of Science&Technology of Eco-textiles Ministry of Education,Jiangnan University,Wuxi 2141 22) Abstract In order to improve the fire retardant of hollow integrate sandwich composites。a modified aluminjunl hydroxide(ATH)was designed,which would react with 9,l0一dihydro一9 oxa-10一phenanthrine phosphacyclopentene ̄ 10一oxide(DOPO)group-based silane coupling agent(IX)P()/ATH).It was characterized by FT—IR spectrometer and scanning electron microscope.All the results show that the chemical bonds between I)()PO-based silane coupling agent and ATH were formed as designed.And D()PO/ATH has good effects on the fire retardant of unsaturated hollow i11一 tegrate sandwich composites.The flame retardancy of ball milled 19()PO/ATH and chemica1 method I)()P()/ATH were characterized by the methods of LOI and UI_94.The results also show that when the content of hall milled I)()一 PO/ATH iS about 20 ,the hollow integrated sandwich composites exhibit a I OI value of 29 and pass the UI 94 V一0 test. Key words alumina trihydrate,hollow integrated sandwich composites,flame retardant 整体中空复合材料广泛应用于储罐的夹层、船身材料、 小型飞机机身、叶片芯材、间隔材料及地板等,具有高强、耐 对氢氧化铝进行表面改性的研究有很多报道,利用酞酸 酯偶联剂对纳米氢氧化铝进行表面改性可以提高纳米氧氧 化铝在丙烯腈一丁二烯一苯乙烯(ABS)基体中的分散性。 。利 。用硅烷偶联剂对纳米氢氧化铝进行湿法改性填充复合材料, 可使复合材料的力学性能和阻燃性都得到加强。 压、隔热、抗冲击和抗断裂性能优良等优点 ]。不饱和树脂 具有良好的力学性能,具有低成本和低密度的特性,因而广 泛应用在复合材料领域 ]。然而标准的不饱和聚酯树脂极 易燃烧,并且在燃烧过程中会释放出大量的烟雾和有毒气 体 。随着这类塑料广泛应用于建筑、造船、汽车工业、化 工设备、轻丁业产品及体育用品等领域,对其添加阻燃剂进 行改性处理显得更加迫切 ]。氢氧化铝(ATH)作为填料具 根据氢氧化铝和磷元素、硅元素的协同阻燃机理 ,本 文用含有D()PO结构的新型硅烷偶联剂(图1)对氢氧化铝 进行改性,合成IX)P()/ATH,其制备机理见图2。在氢氧化 铝(ATH)表面直接引入磷元素和硅元素,在改善氢氧化铝 (ATH)在树脂基体中分散性的基础上,最大限度地发挥其阻 燃协同效应。 有阻燃、消烟、填充等多重功能,不会产生二次污染,能与多 种物质产生协同阻燃效应,被广泛用作复合材料的阻燃添加 剂_7]。氢氧化铝作为应用最广泛的无机阻燃剂,是整体中空 复合材料理想的阻燃填充材料。然而为了达到一定的阻燃 1 实验 1.1材料与助剂 DOPO,山东寿光卫东化工有限公司;硅烷偶联剂(KH一 560),南京翔飞立派有机硅新材料有限公司;氢氧化铝 效果,氢氧化铝的填充量通常较大。随着氢氧化铝填充量的 增加,复合材料的密度增加,使得材料的加工成型困难并使 其力学性能恶化_8]。 *生态纺织教育部重点实验室(江南大学)开放课题(KI ETO9lO);江南大学青年基金(2009I QNO2);中央高校基本科研业务费专 项资金(JUSRP21106;JUSRP】1101) 骆冬冬:女,1987年生,硕士研究生,研究方向为阻燃性纺织复合材料 俞科静:通讯作者,女,1982年生,副教授,研究方向为阻燃 树脂的合成与改性、纺织复合材料E-mail:yukejing@gmail.corn ・338・ 材料导报 2012年5月第26卷专辑l9 (ON901)、不饱和树)] ̄(Synolite 9001一I一1)、异辛酸钴、过氧化 钾乙醇,金陵帝斯曼树脂有限公司;苯乙烯(化学纯)、无水乙 醇(分析纯),国药集团化学试剂有限公司;玻璃纤维三维织 物,南京玻璃纤维研究设计院。 烷偶联剂与无水乙醇的混合液(DOPO型硅烷偶联剂与无水 乙醇的质量比为4:1)加入三角烧瓶,滴加方法:一次滴加3 mL,0.5h滴加1次,滴完为止。反应完成后,用真空泵对混 合物抽滤,并用无水乙醇清洗。将改性后的ATH放入鼓风 干燥箱在l1O℃烘干3h。 1.3球磨法制备DOPO/ATH 0 cH, 利用实验室ZS-90球磨仪对ATH进行改性。在球磨仪 H C—C H—CH 一0C H 一Si--OCH, 0H 6cH 图1 DOPO型硅烷偶联剂结构图 Fig.1 Structure of DOPO-based silane coupling agent j l f l f 』 HO H OH HO oH H OH DOPO型硅烷偶联剂和ATH之间形成氢键 H H 图2 DOPO/ATH的制备机理 Fig.2 The mechanism of DOPO/ATH’S preparation 1.2化学方法合成DOPO/ATH 将50 g ATH与200 mL去离子水混合,加人三口烧瓶 中。将三口烧瓶固定在DF一101S集热式恒温加热搅拌器上, 将温度升高到8O℃,恒温加热并搅拌10h。将DOPO型硅 的腔体中加入1500g氧化锆球(大球与小球的质量比为1: 1),与300 g ATH一并加入DOPO型硅烷偶联剂与无水乙 醇的混合液(DOPO型硅烷偶联剂与无水乙醇的质量比为 4:1)。将混合物球磨2h得到DOPO/ATH。球磨完成后, 将样品取出,不需干燥,直接装入塑封袋。 1.4整体中空复合材料的制备 将DOPO/ATH加入不饱和树脂制成浆料,采用手糊法 制备整体中空复合材料。首先,将玻璃纤维三维织物剪成一 ~ 定大小,称重并记录数据。再按照氢氧化铝与不饱和树脂质 量的不同配比计算氢氧化铝与不饱和树脂及所用各助剂的 用量。然后按不饱和树脂、促进剂(异辛酸钴2%)、纳米氢氧 化铝、苯乙烯2 、固化剂(过氧化甲乙酮2 )的添加顺序配 制好溶液,混合均匀后涂覆在玻璃纤维中空织物上,在涂覆 过程中注意按织物倒伏方向涂覆,以保证中空织物挺立起 来。复合好后先在25℃放置24h,再在8O℃烘箱里放置24 h,得到氢氧化铝/不饱和树脂复合材料。 1.5性能表征 红外光谱测试:美国Nicolet仪器公司的Nicolet Nexus 470型红外光谱仪;极限氧指数(LOI):南京市江宁区分析仪 器厂的HC-2型氧指数测定仪;UD94:南京市江宁区分析仪 器厂的CZF-3型水平垂直燃烧仪;扫描电子显微镜(SEM): 日本日立公司HITACHI的SU1510型扫描电子显微镜;纳 米粒度分析仪:英国的Malvern ZS-90纳米粒径电位分析仪。 2结果与讨论 2.1 DOPO/ATH的红外光谱分析 由图3可知,在球磨改性DOPO/ATH的特征峰中,在 1021.0 cm 处有Si一()_的特征峰,在970.77cm 处的伸缩振 动峰属于基团P—O-C;在化学改性的DOPO/ATH的特征峰 中,1017.3 cm_1处的峰属于基团Si一()_,在971.31 cm 处的 伸缩振动峰属于基团P—O-C,表明DOPO型硅烷偶联剂和 ATH之间形成了新的化学键合(图2)。图3中,球磨改性 DOPO/ATH和化学改性DOPO/ATH的振动峰与氢氧化 铝相比变化一致,说明这两种方法制得[X)PO/ATH的反应 机理相同。 2.2 DoPO/ATH的粒度分布 如图4所示,由于DOPO型硅烷偶联剂与ATH反应后 发生了二次团聚现象,化学改性D()P0/ATH和球磨改性 DOPO/ATH的粒径明显增大。与化学改性ExDPO/ATH 相比,球磨改性DOPO/ATH的平均粒径较小(表1)。化学 改性【)()Po/ATH的平均粒径增加了198 ,球磨改性DO— PO/ATH的平均粒径增加了71 。 ・340・ 材料导报 2012年5月第26卷专辑19 3结论 成功制备出新型D()P0/ATH,发现其对整体中空复合 材料的阻燃性能具有明显的提高作用。粒度分布结果显示, 化学改性DOPO/ATH的平均粒径增加了198 ,而球磨改 5 Mouritz A P,Mathys Z.Post—fire mechanical properties of marine polymer composites[J].Compos Struct,1999,47: 643 6 Pereira C M C,Herrero M,Labajos F M Preparation and properties of new flame retardant unsaturated polyester 性DOPO/ATH的平均粒径增加71 。球磨改性的改性效 果比化学改性的效果好。当球磨改性DOPO/ATH的添加 量为20 ,复合材料的LOI值达到29 ,并达到了UL-94 V- 0级 nanocomposites based on layered double hydroxides[J]. 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